FISICA - Pioneros De Las Ciencias Nucleares

PIONEROS DE LAS CIENCIAS NUCLEARES
Autor: PEDRO BOSCH / SILVIA BULBULIAN / MARISELA FERNÁNDEZ / MELANIA JIMÉNEZ / NURIA
SEGOVIA / MARCOS SOLACHE / ARIEL TEJEDA
COMITÉ DE SELECCIÓN
EDICIONES
INTRODUCCIÓN
I. EL DESCUBRIMIENTO DE LA RADIACTIVIDAD NATURAL
II. LA ESTRUCTURA DEL ÁTOMO
III. LA RADIACTIVIDAD ARTIFICIAL
IV. PROPIEDADES DEL NEUTRÓN TÉRMICO
V. LA FISIÓN NUCLEAR: OTTO HAHN Y LA ESCUELA ALEMANA
VI. CONCLUSIÓN
APÉNDICE 1.
APÉNDICE 2.
COLOFÓN
CONTRAPORTADA
COMITÉ DE SELECCIÓN
Dr. Antonio Alonso
Dr. Juan Ramón de la Fuente
Dr. Jorge Flores
Dr. Leopoldo García-Colín
Dr. Tomás Garza
Dr. Gonzalo Halffter
Dr. Guillermo Haro †
Dr. Jaime Martuscelli
Dr. Héctor Nava Jaimes
Dr. Manuel Peimbert
Dr. Juan José Rivaud
Dr. Emilio Rosenblueth †
Dr. José Sarukhán
Dr. Guillermo Soberón
Coordinadora Fundadora:
Física Alejandra Jaidar †
Coordinadora:
María del Carmen Farías
EDICIONES
Primera edición, 1994
La Ciencia desde México es proyecto y propiedad de Fondo de Cultura Económica, al que pertenecen también sus
derechos. Se publica con los auspicios de la Subsecretaría de Educación Superior e Investigación Científica de la
SEP y del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología.
D R. © 1993, FONDO DE CULTURA ECONÓMICA S. A. DE C. V.
Carretera Picacho-Ajusco, 227; 142OO México, D.F.
ISBN 968-16-4213-9
Impreso en México
INTRODUCCIÓN
SILVIA BULBULIAN
PEDRO BOSCH
MELANIA JIMÉNEZ-REYES
De 1896, fecha en la que se descubre la radiactividad, a 1942, cuando Fermi monta la primera pila atómica, un
grupo pequeño de investigadores consiguió desentrañar los secretos del átomo, proponer una estructura que lo
definiera y crear la tecnología derivada de estos hallazgos. Fueron cuatro escuelas las que protagonizaron tales
estudios: un grupo francés (Becquerel, los Curie y los Joliot-Curie), un grupo anglosajón (Chadwick, Rutherford y
Thomson), uno italiano (Fermi) y finalmente uno austriaco-alemán (Frisch, Hahn, Meitner y Strassmann). El
progreso en el conocimiento fue muy rápido porque los resultados se intercambian y se discutían en los congresos
en un ambiente totalmente cosmopolita; con el saber como único objetivo.
En la figura 1 intentamos presentar los principales acontecimientos de la historia del átomo en el contexto-mundial
del desarrollo de la ciencia y de la tecnología, de las bellas artes, así como los hechos relevantes de la historia del
mundo, desde 1890 hasta 1978. Nótense los cúmulos de importantes descubrimientos sobre él átomo en la última
década del siglo pasado y en los años 30 del presente y; además, que esa época la vivieron también algunos de los
individuos más geniales y temperamentales de la historia: Sarah Bernhardt, Picasso y Stravinski en el arte; Joyce,
Valle-Inclán y Verlaine en la literatura; Edison, Einstein y Fleming en la ciencia. Muchos de los más destacados
científicos en el campo de la radioactividad fueron víctimas de las circunstancias históricas. Así Meitner tuvo que
huir de Alemania y Fermi de Italia para refugiarse en Estados Unidos. Algunos de ellos reaccionaron valientemente
contra la injusticia y se comprometieron con la vida política de sus países: O. Hahn militó activamente en contra de
las armas nucleares y una de las facetas más atractivas de la vida de F. Joliot fue su compromiso político que
culminó con la presidencia del Comité de la Paz.
En este libro se narra la biografía de los descubridores de la radiactividad, de la radiactividad artificial, de la
estructura del átomo, de las propiedades del neutrón y de la fisión nuclear, es decir, la de los responsables de los
cinco peldaños que llevaron a lo que hoy son las ciencias nucleares (véanse figuras 1 y 2). Los descubrimientos
quedan ordenados según la cronología de los principales eventos. Por eso, aunque Hahn es más viejo que
Rutherford, en vista de que su artículo sobre la fisión nuclear fue publicado posteriormente, cierra la serie de
biografiados.
Pero antes de entrar en materia es necesario hacer un recuento de los principales acontecimientos de modo que con
una visión global el lector sepa ubicar a cada uno de los personajes en su ambiente científico.
Imaginemos, entonces, a Becquerel y a los esposos Curie, a principios de este siglo, en el París de La Belle Epoque,
observar asombrados que un mineral de uranio emita radiaciones, que fueron identificadas después como partículas
cargadas eléctricamente (positivas y negativas), y como radiación electromagnética semejante a la luz visible pero
de diferente longitud de onda. Fue entonces cuando se inició una cascada de descubrimientos atropellados que
revolucionaron muchos de los conceptos de la física decimonónica. Hubo que elaborar una nueva teoría sobre la
estructura de la materia.
Enterado de los experimentos de los franceses, Thomson, en Inglaterra, propuso la siguiente estructura para el
átomo: una esfera compacta cargada positivamente pero que contenía cargas negativas en su interior, para que la
carga total fuese neutra. Este modelo duró poco ya que muy pronto Rutherford, alumno de Thomson, logró
demostrar que mediante experimentos sencillos que el átomo es casi hueco, excepto por un pequeñísimo espacio
ocupado por un núcleo pesado formado por partículas positivas (hoy conocidas como protones). La neutralidad del
átomo se consigue, en el modelo de Rutherford, con electrones que se mueven a distancias enormes alrededor del
núcleo, tal y como lo hacen los planetas alrededor del Sol. Aunque el modelo de Rutherford se ha perfeccionado, el
concepto de un átomo constituido por un núcleo denso y positivo rodeado de electrones en movimiento no ha
cambiado.
Historia del átomo
1970
Ciencia y tecnología
Bellas Artes
Historia del mundo
Ensayos para el control de
la fusión nuclear (a partir -Primer hombre en la Luna
de 1978)
-Movimientos
estudiantiles en
varios países
-Cien años de soledad
(G. García Márquez)
Vuelos de los primeros
astronáutas
1960
-Navíos de propulsión
nuclear
-Primera central nuclear
-Bomba
Crisis EUA-Cuba
-Lasér (C.H. Townes)
-El Laberito de la
soledad (O.Paz)
-Modelo del ADN (J.W.
Watson y F.Crick)
Murales (R. Tamayo)
1950
-La vida de Galileo (B.
Brecht)
-Bombas atómicas sobre
Hiroshima y Nagasaki
-La pila atómica (E.
Fermi)
Segunda Guerra
Mundial
Por quién doblan las
campanas (E.
Hemingway)
1940
-La fisión nuclear
(O.Hahn y L. Meitner)
Expropicación del
petróleo en México
Guerra civil
- Guernica (P. Picasso)
española
-Bodas de Sangre (F.
García Lorca)
-Radioactividad artificial
(F.I. Joliot Curie)
-El neutrón (J.Chadwick)
1930
-El modelo electtrónico de
televisión
La penicilina (A. Fleming)
Guerra cristera en
México
-Ulises (J.Joyce)
-Murales (D.Rivera)
1920
-Transmutación de
elementos y el protón
(E.Rutherford)
-Teoría de la relatividad
general (A. Einstein)
-Revolución Rusa
- Primera Guerra
Mundial
1910
-Grupo Jinete Azul
-El pájaro de fuego
(I.F. Stravinski)
-Las señoritas de
Aviñon (P. Picasso)
1900
5
4
3
2
1
-Teoría de la relatividad
especial (A. Einstein)
5) Radiaciones alfa y beta -Vuelo aeronáutico
(E. Rutherford)
(Hermanos Wright)
4) Polonio y radio (P. y
M. Curie)
3) El electrón (J.J.
Thomson)
2) Radioactividad natural - Ondas de radio (G.
(A.E. Becquerel)
Marconi)
1) Rayos X (C.C.
-El psicoanálisis (S. Freud)
Roentgen)
-Empieza la
Revolución
Mexicana
Porfiriato
Independencia de
Cuba
Nazarín (B. Pérez
Galdós)
-Suite del Cascanueces Etapa Porfirista
(P.I. Tchaikovski)
(México)
1890
Rayos catódicos (G. Crookes,
1879)
Figura 1. Los principales acontecimientos de la historia del átomo, dentro del contexto mundial.
Desde luego Rutherford se preguntó como tanta carga positiva podía acumularse sin repelerse, en un volumen tan
pequeño como el núcleo y concluyó que la estabilidad necesitaba la presencia de partículas sin carga pero de masa
semejante a la de los protones. Así fue como postuló la existencia de partículas neutras. Once años después (en
1932), su discípulo, Chadwick comprobó la existencia de dicha partícula (hoy conocida como neutrón) en el núcleo
del átomo. Este descubrimiento fue crucial para los acontecimientos científicos que se siguieron en Europa. En
efecto, en 1934, solo dos años más tarde, los Joliot-Curie probaron la existencia de la radiactividad artificial; en
1939, Hahn propuso la escisión del núcleo, y diez años después del descubrimiento del neutrón, Fermi diseñó en
Estados Unidos la primera pila atómica. Luego, en 1945 estallaron las bombas de Hiroshima y de Nagasaki. Así
arrancó un campo de la física, el de la física nuclear, cuyas aplicaciones abarcan tanto las reacciones nucleares que
se dan en las estrellas como las que se dan en la Planta Nucleoeléctrica de Laguna Verde.
La física nuclear estudia ese minúsculo trozo de materia que es el núcleo atómico. El núcleo es 10 000 veces más
pequeño que el átomo en cuyo centro se encuentra. ¡La proporción existente entre el tamaño del núcleo y el del
átomo es la misma que entre una bellota y una casa! Sin embargo, a pesar de la evidente dificultad de estos
estudios, hoy sabemos que el núcleo esta constituido por neutrones y protones, tal y como la de los protones es de 1
840 veces mayor que la de dos electrones. Desde luego, el neutrón carece de carga eléctrica pero el protón tiene una
carga positiva de la misma magnitud que el electrón. Cuando el número de electrones es igual al número de
protones de la carga del átomo es neutra. Si el número de protones de dos átomos es el mismo pero el número de
neutrones es diferente se dice que son isótopos de un elemento. Los isótopos radiactivos se manejan hoy en día en
la medicina, la química, la biología, las ciencias del espacio y hasta en la arqueología. En la actualidad se conocen
más de 2 600 especies nucleares diferentes. Finalmente, hay que insistir en que las propiedades químicas de un
elemento dependen casi por entero del numero y distribución de los electrones de sus átomos.
Figura 2. Lapsos de vida de los científicos más notables de la historia del átomo.
Sigamos, pues, las huellas que los pioneros de la radiactividad dejaron tras de sí en su continuo afán por entender la
estructura y las propiedades de la materia. Con ellos tocaremos la retirada ante los callejones sin salida y con ellos
nos asombraremos de las maravillas de la Naturaleza. Será difícil no tomar partido en sus querellas científicas y en
sus disputas personales, pero revivirlas no solo ilustra la personalidad de cada uno de ellos sino que revela como
"se hace la ciencia" y cual es el entorno necesario para que florezca.
Cada capítulo está escrito por especialistas diferentes y es autónomo. Así, cada uno de los temas se puede leer por
separado. Esta organización tiene la ventaja de que ciertos conceptos se presentan más de una vez pero se abordan
desde puntos de vista tanto históricos como científicos diferentes, de modo que se enriquece el entendimiento de las
ciencias nucleares, lo que constituye el objetivo fundamental del libro.
I. EL DESCUBRIMIENTO DE LA RADIACTIVIDAD NATURAL
MELANIA JIMÉNEZ-REYES
SILVIA BULBULIAN
URANIA,
MUSA DE LA ASTRONOMÍA
EL URANIO el elemento químico que ocupa la casilla 92 de la Tabla Periódica, fue descubierto en 1789 por el
químico alemán Maarten Heinrich Klaproth (1743-1814) quien, por cierto, también fue el primero en aislar el
titanio. Los estudios que Klaproth realizó con el polvo negro obtenido a partir de la pechblenda [la pechblenda es
un óxido natural del uranio, más adelante se ofrece una explicación más amplia sobre esta substancia]
demostraron que se trataba de un nuevo elemento cuyas propiedades eran muy diferentes a las de los ya conocidos.
Klaproth llamó a ese elemento uranio, inspirándose en el nombre del planeta descubierto poco antes. En efecto, el
hallazgo del planeta Urano, realizado en 1781 por el angloalemán John Frederick William Herschel, causó gran
repercusión en el mundo entero porque desde la antigüedad se había considerado a Saturno como el planeta más
alejado del Sol: tiempo después se descubrirían también Neptuno y Plutón. Herschel se inspiró para elegir el
nombre del planeta que había descubierto en Urania, la musa de la astronomía y de la geografía.
Desde su descubrimiento y hasta finales del siglo XIX, el uranio fue considerado como un elemento más y sus
aplicaciones se reducían a la coloración de vidrios y cerámicas, lo que ahora parece insensato debido a sus
propiedades radiactivas. Después del descubrimiento del radio, los minerales de Uranio se utilizaron como fuente
para extraerlo. No fue sino hasta 1939, fecha del descubrimiento de la fisión nuclear, cuando el uranio, por sí
mismo, atrajo el interés del mundo.
LOS RAYOS X
A principios del siglo XIX, Faraday y Davy observaron un brillo intenso en los tubos de descarga, cuando pasaba
por ellos la electricidad. Los tubos de vidrio que idearon después, Crookes en Inglaterra y Hittorf en Alemania, en
los cuales se lograba un vacío casi perfecto, permitieron comprobar que esas descargas eléctricas se originan en el
cátodo y se dirigen hacia el ánodo. Por tal motivo esos rayos fueron denominados catódicos y una de sus
características es que son fácilmente absorbidos por el aire.
Quien conociera a Wilhelm Konrad Roentgen (1845-1923) cuando tenía 23 años, jamás hubiera pensado que
llegaría a ser un personaje tan importante en la historia de la ciencia. Lo habían expulsado de la Escuela Técnica de
Utrecht, Alemania, por haberse burlado de un maestro y como secuela se le había negado el ingreso a la
Universidad local. En 1868 logró ingresar a la Escuela Politécnica de Zurich, Suiza, pero allí no se distinguió por
sus estudios sino por su participación en un sinfín de actividades sociales y deportivas. Un año después uno de sus
profesores logró despertar en él su verdadera vocación: la física, en la que volcó desde entonces toda su energía.
Años más tarde, siendo Roetgen profesor y director del Instituto de Física de la Universidad de Wurzburgo,
Alemania, decidió participar en la búsqueda de nuevas propiedades de rayos catódicos. Durante el curso de sus
investigaciones observó que una pantalla recubierta con platino-cianuro de bario [la fórmula química de este
compuesto es la siguiente: Ba Pt(CN)4 4H2O] brillaba con luz propia cuando se encontraba a cierta distancia del
tubo de rayos catódicos. Se dio cuenta de que la radiación que salía del tubo era diferente a los rayos catódicos,
porque podía atravesar el aire, y porque al ser absorbida por algunas substancias, éstas las volvían a irradiar en
forma de luz visible. Roentgen realizó estos experimentos a finales de 1895 y llamó Rayos X a dichas radiaciones,
por ser hasta entonces desconocidas. A partir de ese momento, el físico alemán dedicó su tiempo al estudio de las
propiedades de los rayos X, que tantas aplicaciones han encontrado. En 1901, Wilhelm Konrad Roentgen fue
galardonado con el primer premio Nobel de física.
LA FAMILIA BECQUEREL
Es curioso comprobar que los descendientes de una misma familia puedan distinguirse en una rama del saber. En la
música, el caso de los Bach es el más citado, pero en las ciencias existe el caso de los Curie, el de los Friedel o el de
los Becquerel. Quizás, como es el caso de los descubrimientos "casuales", el éxito de estas dinastías se deba a un
patrimonio cultural y a un momento histórico, pero preferimos que el lector saque sus propias conclusiones
presentándole la historia de los Becquerel.
Antoine César Becquerel nació en 1788 en Chatillon sur Loing, Francia. En la Escuela Politécnica obtuvo el título
de ingeniero y después de un activo servicio en el ejército, se dedicó al estudio de la mineralogía, la electricidad, la
electroquímica y la bioquímica. Desde 1837 hasta poco antes de su muerte en 1878, fue profesor de Física en
Museo de Historia Natural de París. La variedad de temas que le interesaron se ilustra con los títulos de sus
publicaciones: Tratado de electricidad y magnetismo (1834 -1840), Tratado de Física y su relación con la química
(1842), Elementos de electroquímica (1843), Tratado completo del magnetismo (1845), Elementos de Física
terrestre y de meteorología (1847) y Los climas y la influencia que ejercen los suelos boscosos y sin bosques
(1853). Por sus valiosos trabajos, mereció en 1875 la medalla Copley, de la Sociedad Real de Inglaterra y se le
considera como uno de los fundadores de la electroquímica porque fue el primero en utilizar el proceso electrolítico
[un proceso electrónico es el que se lleva a cabo cuando se hace pasar una corriente eléctrica a través de algunas
substancias conductoras (electrolitos)] para separar el metal del mineral. Antoine César Becquerel también inventó
una aguja termoeléctrica [consiste en un dispositivo que aprovecha la diferencia de la temperatura entre dos
puntos de un material metálico para producir una corriente eléctrica] que mide la temperatura interna de los
cuerpos.
A su muerte, el puesto que ocupaba en el Museo de Historia Natural quedó en manos de su hijo Alexandre
Edmond, quien había sido su compañero inseparable y su asistente. Alexandre nació en 1820 en París, Francia: en
1849 fue profesor del Instituto de Agronomía de Versalles y desde 1853 del Conservatorio de Artes y Oficios. El
segundo científico de la familia Becquerel se interesó en el estudio de la luz, investigó el efecto fotoeléctrico [se
conoce como efecto fotoeléctrico a la emisión de electrones en un material que ha sido irradiado, por ejemplo, con
un haz de luz] y las características espectroscópicas [estas son las que se refieren a la emisión o absorción de las
radiaciones por la materia] de la luz solar y de la luz eléctrica, así como el fenómeno de la fosforescencia,
propiedad que tienen algunas substancias de emitir luz propia en la obscuridad después de haber sido expuesta una
fuente de luz y el material expuesto a ella, así como observar los efectos resultantes.
En 1867-1868 publicó su libro en dos volúmenes: Luz, sus causas y efectos. También investigó las propiedades
magnéticas [las propiedades magnéticas son las que se refieren a la forma en la que los campos de fuerza
magnética afectan las diferentes substancias] y paramagnéticas [las propiedades paramagnéticas son propiedades
magnéticas que se deben al spin (giro) del electrón a los materiales que contienen electrones no apareados. Su
medida suministra información sobre los enlaces químicos] de las substancias y los fenómenos de la
descomposición electroquímica y propuso una modificación a la Ley de Faraday [Michael Faraday (1791 - 1867)
dedujo que un proceso electrolítico, la cantidad de cambio químico que se produce depende de la carga eléctrica
aplicada y de la masa y de la carga del ion involucrado], tendiente a explicar algunos casos excepcionales.
Antoine Henri, hijo de Alexandre, fue el tercer miembro de la familia que hizo historia por sus brillantes
descubrimientos. Nació en París, el 15 de diciembre de 1853, y llevó a buen término sus estudios, al igual que su
abuelo y su padre, en la Escuela Politécnica. En 1875 inició su actividad profesional en el Departamento de Puentes
y Caminos, del que llegó a ser jefe de ingenieros en 1894. Dos años antes, cuando su padre murió, Antoine había
ocupado la plaza de profesor de física en el Museo de Historia Natural de París. A Antoine le interesó el
magnetismo, la polarización la [polarización es la propiedad que presenta un rayo luminoso, después de sufrir la
reflexión o la refracción, de producir vibraciones localizadas desigualmente en las cercanías del haz] de la luz, la
fosforescencia y la absorción de la luz en los cristales, y fueron los experimentos realizados en estos últimos
campos los que lo llevaron al descubrimiento de la radiactividad natural. Murió en Croisic, Francia, el 25 de agosto
de 1908, después de haber recibido numerosos y muy merecidos honores, entre ellos el premio Nobel de física en
1903, compartido con los esposos Curie.
Jean, hijo de Antoine Henri, egresó de la misma escuela que sus antecesores y después impartió física en la misma
institución. Prosiguió algunos de los trabajos de su padre y también realizó investigaciones sobre las propiedades
ópticas y magnéticas de los cristales a muy bajas temperaturas. Descubrió la polarización circular, que consiste en
que el plano de polarización gira uniformemente en torno al eje, a medida que avanza el rayo, y publicó varios
artículos sobre la relatividad y las transmutaciones de los elementos.
LOS EXPERIMENTOS DE A. H. BECQUEREL
Antoine continuó los estudios que había iniciado junto con su padre sobre el fenómeno de la fosforescencia en el
sulfato doble de uranio y potasio Su experimento fue sencillo: expuso a la luz del Sol una muestra de esta sal de
uranio colocada sobre una placa fotográfica [una placa fotográfica es un material que está recubierto por una sal
(cloruro o bromuro) de plata. Se dice que una placa se vela cuando, al incidir sobre ella algún tipo de radiación,
la placa se oxida y se ennegrece, manifestándose así la incidencia de esa radiación] envuelta en dos hojas de papel
negro grueso, tan opaco a la luz que aun después de un día de exposición a la luz solar no podía velarse.
Figura I.1. el experimento de A. E. Bequerel.
Becquerel presentó una breve nota, en la que describió sus experimentos, en la sesión del 24 de Febrero de 1896 de
la Academia de Ciencias de París, de la cual era miembro desde 1889. Quiso verificar después sus observaciones y
preparó de nuevo algunas placas fotográficas junto con su sal de uranio. Para su fortuna, tal como se dice ahora, o
para su desdicha como quizá se dijo él mismo, todos los días que siguieron fueron nublados, así es que Antoine
guardó sus placas con las sales de uranio, en espera de días mejores. !Cual no sería su sorpresa cuando descubrió
que las placas fotográficas estaban veladas en la zona expuesta a las sales de uranio! Normalmente, las placas
hubieran sido desechadas, pero el descubrimiento de los rayos X por Roetgen, apenas semanas antes, lo puso sobre
aviso. En la sesión de la Academia, celebrada una semana después de la anterior, el 2 de marzo, Becquerel informó
sobre sus avances: estaba seguro de que el efecto logrado en placas fotográficas era independiente del fenómeno de
la fosforescencia (véase la figura I.1). Ese día hizo referencia a las "radiaciones activas", fincando así las bases del
término que posteriormente establecería Marie Curie: radiactividad.
El 18 de mayo de 1896, Becquerel dio a conocer ante sus colegas que todos los compuestos del uranio, fueran o no
fosforescentes, así, como el mismo uranio, presentaban el fenómeno descubierto esto es, emisión de radiación que
se parecía en algunos aspectos a los rayos X de Roentgen. Sus estudios lo llevaron a concluir que el uranio puro
producía efectos de radiación más intensos que los compuestos y, que al igual que los rayos X, esos rayos poseían
la propiedad de descargar cuerpos electrizados; esta propiedad fue y sigue siendo la base de la mayoría de los
métodos de detección de las substancias radiactivas.
Tal como lo veremos a lo largo de este capítulo y de los siguientes, a partir de entonces la curiosidad de los
investigadores se orientó hacia el descubrimiento de otras sustancias que también tuvieran propiedades radiactivas,
a la identificación de sus radiaciones e incluso a la búsqueda de las aplicaciones de esos conocimientos.
PIERRE CURIE Y MARIE SKLODOWSKA
Pierre Curie nació en París, Francia, el 15 de mayo de 1859. Hijo de un médico, Eugéne Curie, Pierre creció en un
ambiente familiar que le permitió desarrollar sus aptitudes de observación y de reflexión sobre los fenómenos
naturales. Esta educación produjo pronto sus frutos: fue bachiller a los 16 años, licenciado en física a los 18 y, a los
19, ayudante de laboratorio del profesor Desains, en la Universidad de París, La Sorbona. Con la ayuda económica
que le proporcionaba su modesto sueldo, pudo dedicarse a lo que más anhelaba: la investigación científica y, junto
con su hermano Jacques, que también era físico, pronto anunció el descubrimiento del fenómeno de [la
piezoelectricidad es el conjunto de fenómenos eléctricos que se manifestaban en un cuerpo sometido a presión o a
deformación] y el cuarzo piezoeléctrico. Así se logró medir con precisión pequeñas corrientes eléctricas, lo que,
desde luego, fue de gran utilidad para sus trabajos posteriores sobre la radiactividad.
En 1882 dejó La Soborna para trabajar como jefe de laboratorio en la Escuela de Física y Química de París. Allí
continuó sus importantes descubrimientos: citaremos, entre otros, lo que ahora se conoce, como la ley de Curie [la
ley de Curie se refiere a que la susceptibilidad (relación entre la magnetización de una substancia y la intensidad
del campo magnético aplicado) de ciertas substancias paramagnéticas es inversamente proporcional a la
temperatura termodinámica, también llamada absoluta] sobre magnetismo.
A pesar del gran entusiasmo con que Pierre Curie realizaba sus investigaciones, no mostraba interés alguno por
obtener títulos ni honores: sin embargo, en 1895 y debido a la insistencia de su padre, Pierre presentó la tesis
doctoral, basada en sus investigaciones sobre el magnetismo.
Fue en 1894 cuando Pierre conoció a Marie Sklodowska, quien entonces estudiaba en La Soborna y que poco
tiempo después sería conocida como la señora Curie.
Marie Sklodowska nació en un antiguo barrio de Varsovia, Polonia, el 7 de noviembre de 1867; su madre había
sido directora de una escuela para señoritas y su padre era profesor de física y de matemáticas. Marie fue una niña
muy precoz y sensible que desde pequeña sufrió la opresión zarista. En ésa época el idioma ruso era el único
permitido en Polonia y Marie lo hablaba perfectamente, al igual que el polaco, su idioma materno. Como la
mayoría de sus compatriotas, soñaba con la libertad de su patria y deseaba servirla, lo que la condujo a participar en
una organización revolucionaria de estudiantes. Debido a ello su padre consideró prudente que pasara algunos
meses con unos parientes en el campo.
La situación económica de la familia Sklodowska no era solvente y por eso Marie decidió, desde los 18 años,
trabajar como institutriz y así ayudar a su hermana Bronia que deseaba estudiar medicina en París. Seis años más
tarde, en 1891, ella misma se traslado a París e ingresó en La Sorbona. A pesar de sus muchas limitaciones
económicas, Marie obtuvo su licenciatura en ciencias físicas en 1893 y en ciencias matemáticas en 1894. Fue en
ese tiempo cuando Pierre Curie y ella contrajeron matrimonio.
UNA COLABORACIÓN CIENTÍFICA
Los descubrimientos de Antoine Henri Becquerel interesaron mucho a los esposos Curie, especialmente a Marie,
quien buscaba en ese entonces un tema para desarrollar su tesis doctoral. Pierre continuó con sus proyectos de
investigación, mientras Marie empezó a buscar la radiactividad natural en diversos compuestos, con el propósito de
encontrar en la naturaleza otros elementos radiactivos además del uranio. Y en efecto, descubrió que existía otro
elemento que emitía también radiaciones: el torio. Las propiedades radiactivas de este elemento fueron descubiertas
simultáneamente por el alemán Gerhard Schmidt. Marie presentó un informe en el que hacía constar que todos los
compuestos de uranio y de torio que había examinado eran radiactivos y, continuando sus investigaciones, ya no
solamente sobre compuestos puros sino también sobre diversos minerales de uranio y de torio, encontró con gran
sorpresa que, en algunos de esos minerales, la emisión de rayos era mucho más intensa que en los compuestos
puros. Este descubrimiento la hizo pensar en la existencia de otro elemento capaz de emitir rayos.
Pierre y Marie Curie utilizaron tres pequeñas libretas forradas, de papel negro para anotar los experimentos que
iban realizando. Años después, esas libretas le sirvieron a Irene Joliot-Curie para seguir el desarrollo del trabajo de
sus padres, aun cuando los experimentos y los resultados no hubiesen sido anotados a diario.
La primera libreta fue iniciada el 16 de Septiembre de 1897 por Pierre Curie, quien se refería principalmente al
estudio de las propiedades termoeléctricas [las propiedades termoeléctricas se refieren a la energía que se produce
por la conversión de calor] en cristales ,de pirita [se conoce con el nombre de pirita a los sulfuros minerales de los
metales como el hierro]. El 16 de diciembre Marie también comenzó a hacer anotaciones sobre sus trabajos sobre
la radiactividad del uranio. La mayor parte del cuaderno está escrito por ella, con notas ocasionales al margen de la
mano de Pierre, como algunas cifras a alguna curva, lo que quiere decir que seguía muy de cerca los progresos del
trabajo.
Los cuadernos contienen muy poco texto, tratan sobre la naturaleza del producto detectado y las modificaciones
experimentales que se realizaron. Casi no hay títulos que indiquen nombre del experimento y rara vez una frase que
de cuenta del resultado. Eso si existen descripciones detalladas de tratamientos químicos y aspectos de los
productos obtenidos. Todos esos estudios eran tan prometedores que los esposos Curie decidieron continuarlos
juntos y es así como se inicia una de las colaboraciones científicas más destacadas de la historia.
Pierre y Marie tenían los mismos intereses tanto en su vida privada como en el trabajo. Los dos disfrutaban de los
paseos a pie o en bicicleta en las cercanías de París y a veces en sus vacaciones iban a la playa o a la montaña. Los
Curie también compartieron su amor por la ciencia y se dedicaron con gran entusiasmo y éxito a las investigaciones
sobre la radiactividad natural y a la enseñanza.
A partir del 18 de marzo de 1898, Pierre Curie se dedicó por completo al estudio de la radiactividad. Ya en la
segunda y tercera libretas de apuntes de los Curie se observa indistintamente la letra del uno y del otro. Marie Curie
escribía de una manera clara y nítida sus medidas se encuentran bien ordenadas en columnas. Pierre Curie, en
cambio, lo hacía con letra pequeña, desordenadamente. Contra loque cree se ocupaba tanto del trabajo químico
como de las medidas físicas, pues un gran número de las anotaciones que se encuentran en los esquemas de
tratamiento son de su puño y letra.
EL POLONIO Y EL RADIO
Cuando los Curie empezaron a trabajar con la pechblenda pudieron darse cuenta de que las emanaciones de ese
mineral eran casi tres veces más intensas que las del uranio, de manera que emprendieron la búsqueda de las causas
de esa actividad excesiva. Después de haber separado las sustancias no radiactivas de la pechblenda, obtuvieron un
producto cuya radiactividad era aproximadamente 400 veces superior a la del uranio y cuyas propiedades se
parecían a las de otro elemento: el bismuto. Supusieron entonces que la pechblenda podría contener un elemento
nuevo y, efectivamente, ese producto contenía un elemento químico desconocido hasta entonces, al que los Curie
llamaron polonio en honor de la patria de Marie. Este importante hallazgo lo realizaron en el mes de julio de 1898.
El polonio, aislado en esa ocasión como un sulfuro, fue el primer elemento químico descubierto gracias a sus
propiedades radiactivas.
Los Curie observaron también que las radiaciones emitidas por los compuestos de polonio y de radio hacían
fosforescente al platino-cianuro de bario: es decir que su acción era análoga a la de los rayos de Roentgen pero
considerablemente más débil. Para hacer el experimento colocaron sobre la sustancia radiactiva una hoja muy
delgada de aluminio, recubierta con una capa fina de platino-cianuro de bario y en la oscuridad notaron que este
último brillaba ligeramente. En ese momento no les fue posible interpretar sus observaciones porque la existencia
de una fuente luminosa que funcionara sin una fuente de energía se contraponía con el principio de Carnot [Sadi
Carnot, en 1824 había concluido que para que toda una máquina térmica funcionando en un ciclo de
transformaciones es absolutamente necesario disponer de dos fuentes, una que ceda el calor al fluido de contacto y
otra que lo reciba. Carnot quiso decir también con esto que es imposible crear una máquina tal que en su
mecanismo utilice solamente una de esas fuentes].
Con el uranio y el torio, los Curie no observaron el brillo del platino-cianuro de bario y concluyeron que al igual
que con las placas fotográficas, la acción de dichos elementos era más débil que la del polonio y el radio. Tendrían
que realizarse todavía muchos estudios, para comprender completamente esos fenómenos (véanse más adelante las
investigaciones realizadas por Ernest Rutherford).
Al continuar sus investigaciones, los esposos Curie encontraron que la pechblenda contenía otro producto, con una
actividad 900 veces más intensa que la del uranio y cuyas propiedades químicas eran completamente diferentes a
las del polonio. La segunda sustancia radiactiva que encontraron tenía toda la apariencia química del bario y la
denominaron radio.
La nueva substancia radiactiva estaba mezclada con una considerable proporción de bario, y a pesar de esto, su
radiactividad era intensa. Con los conocimientos actuales, se puede inferir que en las primeras muestra de la
radiactividad del radio debió ser enorme. En diciembre del mismo ano, 1898, los Curie lograron separar el radio del
bario, utilizando la diferencia de solubilidad entre los cloruros de uno y otro elementos.
Por los experimentos de Becquerel, los esposos Curie ya sabían que los elementos radiactivos y sus compuestos
tenían la propiedad de ionizar [ionizar es producir partículas dotadas de carga eléctrica a partir de la perdida o
ganancia de electrones de una substancia] el aire así convertirlo en conductor de la electricidad. Y, además, que al
poner estos elementos en contacto con placas fotográficas sensibles, las velaban. Al medir esas propiedades , los
esposos Curie encontraron que el polonio y el radio eran considerablemente más radiactivos que el uranio y el torio,
pues sobre todas las placas fotográficas obtuvieron buenas impresiones con el radio y el polonio en medio minuto
de contacto y necesitaron varias horas para obtener el mismo resultado con el uranio y el torio.
Para determinar la masa atómica [se define como masa atómica la relación entere el promedio de la masa de un
elemento en estado natural y la doceava parte de la masa del carbono-12] del radio y sus propiedades era
necesario extraerlo a partir de una gran cantidad de pechblenda: tarea gigantesca que involucraba un sin número de
problemas.
Los experimentos que condujeron al descubrimiento del polonio y el radio se realizaron en la Escuela de Física y
Química y en la Escuela de Ingenieros, donde Pierre Curie enseñaba. Sin embrago, no había en esas escuelas
laboratorios adecuados para estas investigaciones, así que se llevaron a cabo siempre en condiciones materiales
muy precarias. Más tarde, cuando los Curie empezaron a efectuar tratamientos químicos en gran escala, el director
de la Escuela de Física y Química les permitió utilizar un cobertizo, amueblado solamente con mesas de madera,
donde entraba el agua de lluvia por todas partes y la calefacción no era suficiente, pero donde tenían por lo menos
espacio suficiente para trabajar.
Con la cooperación de la Academia de Ciencias de Viena y del gobierno austriaco, Pierre y Marie consiguieron una
tonelada de desechos del mineral de pechblenda proveniente de las minas de San Joachimsthal, situadas en la
región de Bohemia, Checoslovaquia. Ya se había indicado antes que en ese entonces, el uranio se utilizaba
principalmente como colorante de cerámicas. En esos desechos ya no había uranio, pero se encontraban otros
elementos. Con los desechos de ese mineral, Marie efectuó manipulaciones muy difíciles, pues en ocasiones
manejaba hasta 20 kilogramos de materia prima.
Los Curie lograron recuperar un décimo de gramo de cloruro de radio a partir de una tonelada de residuos de
pechblenda. El proceso era tan laborioso que fue hasta 1902 cuando tuvieron la cantidad suficiente del elemento
para determinar su masa atómica y otras propiedades. El mundo científico, que al principio había visto con
escepticismo el descubrimiento del radio, se rendía ante la evidencia y lo aceptaba.
Desde septiembre de 1897, la familia Curie contó con un nuevo miembro, su hija Irene, de manera que cuando los
esposos Curie regresaban a casa convivían con su hija mientras trabajaban en la interpretación teórica de los
resultados obtenidos en el laboratorio. En 1904 celebraron el advenimiento de su segunda hija, Eve, y un año más
tarde Pierre y Marie tuvieron la tristeza de perder al que hubiera sido su tercer hijo.
En el año de 1900, Pierre Curie había sido nombrado profesor de La Sorbona y Marie instructora de la Escuela
Normal Femenina de Sèvres. En junio de 1903 Marie obtuvo su doctorado, con la tesis intitulada "Investigaciones
sobre las sustancias radiactivas" y en 1904 La Sorbona creó una cátedra de física especialmente para Pierre. La vida
de los Curie se desarrollaba entonces en armonía, tanto el trabajo como en el hogar.
Pierre murió en París el 19 de abril de 1906, en un accidente, y Marie completó la obra emprendida por ambos. Con
tesón admirable continuó sus investigaciones y tomó el lugar que había dejado su esposo, tanto en el hogar como en
La Soborna pues desde ese mismo año empezó a dar las cátedras que el impartía, y así tuvo el honor de ser la
primera profesora de esa Universidad.
LA VIUDA CURIE
En 1910, Marie publicó su obra Tratado de radiactividad, y en 1911 logró purificar aun más al radio, trabajo que
requirió de mucho tiempo y habilidad.
La unidad de radiactividad, el curie, fue denominada así en homenaje a Marie, en uno de los Congresos Solvay
efectuados en Bruselas, donde se llegaron a reunir todos los grandes científicos de la época. Después, en 1950, la
Comisión Unificada de la IUPAP (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada) y la IUPAC (Unión
Internacional de Física Pura y Aplicada), indicó que: "El curie es la unidad de radiactividad definida como la
cantidad de cualquier núclido radioactivo en el cual el número de desintegraciones por segundo es 37 000 000 000".
Este valor equivale a la cantidad de emanación en equilibrio de un gramo de radio: así había sido explicado por
Marie Curie antes de ceder a la Oficina Internacional de Pesos y Medidas 21 mg de radio que ella misma había
obtenido y purificado. Desde hace algunos años y para simplificar el uso de las unidades de radiactividad, el
máximo organismo mundial sobre metrología designo al becquerel (una desintegración por segundo)y al rutherford
(un millón de desintegraciones por segundo) como las unidades que deben emplearse.
Ya se han mencionado algunos de los reconocimientos que el mundo le concedió a madame Curie a lo largo de su
vida, pero no obstante su prestigio, sufrió el rechazo de la Academia de Ciencias Francesa. Al deceso del físico
Gernez, solicitó la vacante en dicha Academia, pero en reñida votación, en enero de 1911, el puesto fue concedido
a Eduard Branly, el inventor del telégrafo inalámbrico. La población de la Academia Francesa se mantuvo
masculina hasta 1966, año en que por primera vez se aceptó a una mujer como miembro. Ese honor correspondió a
una discípula de Marie: Marguerite Perey, descubridora del francio. Pero también algunos hombres ilustres fueron
rechazados por la Academia, y basta mencionar a Balzac, a Zolá y al mismo Pierre Curie.
En ese mismo año de 1911, Marie viviría momentos cruciales para su vida. En septiembre se vio envuelta en un
escándalo muy desagradable: la aparición en la prensa parisina de su correspondencia con Paul Langevin en la cual
se ponía de manifiesto que las relaciones intelectuales que mantenían desde varios años atrás habían llegado
también a ser amorosas. Marie era viuda, pero Paul estaba casado y la sociedad francesa la juzgó duramente. Los
contratiempos en su vida personal y profesional de esos meses se vieron quizá compensados con la obtención en
ese mismo año del premio Nobel de química, por la determinación de la masa atómica de radio.
A lo largo de varios años, Marie luchó con ahínco por tener un laboratorio que respondiera a las necesidades de sus
investigaciones. Por fin en 1914 se terminó la construcción del Instituto del Radio, de la Universidad de París, pero
en ese mismo año estalló la primera Guerra Mundial y la inauguración tuvo que esperar hasta el armisticio.
Dado su carácter, no es de extrañar que durante la guerra participara con una fuente portátil de radio para hacer
radiografías de los huesos de los heridos era similar a la actual con los rayos X.
En el Laboratorio Curie del Instituto del Radio se hicieron trabajos de gran prestigio, entre ellos cabe mencionar el
descubrimiento del francio, por Marguerite Perey y el de la radiactividad artificial, por Irene Curie y su esposo
Frederic Joliot. Entre 1919 y 1934 fueron publicados 483 informes científicos provenientes del Instituto, 31 eran de
Marie.
Madame Curie murió a la edad de 66 años, el 4 de julio de 1934 en Valence, Francia, y fue enterrada junio a Pierre
en el cementerio de Sceaux.
¿Y POR QUÉ LA PECHBLENDA?
Al paso de los años han podido esclarecerse las razones por las cuales Bequerel observó la "radiación uránica" y los
Curie descubrieron al polonio y al radio en la pechblenda y aun en los desechos del tratamiento de ese mineral.
La pechblenda es una especie mineral, también denominada uraninita, en la que existen básicamente óxidos de
uranio y es hasta ahora el mineral más rico en ese elemento. Su nombre proviene de la palabra griega πιττα= pez
(substancia negra, pegajosa) y la alemana blind = ciego, engañoso, que aluden al color del mineral y a que tiene la
apariencia de la galena [la galena es una forma mineral del sulfuro del plomo divalente. Es la principal fuente de
plomo]sin serlo. En México existe en los estados de Chihuahua y Oaxaca, principalmente. La pechblenda es un
material radiactivo, pues lo son tanto el constituyente principal (el uranio) como algunos de sus demás
componentes.
Los núcleos de los átomos del elemento uranio están constituidos por 92 partículas que tienen carga eléctrica
positiva (protones) y contienen además partículas neutras (neutrones). Para la mayoría de los átomos de dicho
elemento que se encuentra en la naturaleza, el número de neutrones es 146. Estos núcleos se denominan de uranio238, porque 92 más 146 es igual a 238.
El uranio-238 tiene una vida media [la vida media es el tiempo que transcurre para que la radiactividad de una
substancia llegue a ser la mitad de su valor original (véase la figura 1.2)] enorme, de 4 500 millones de años, por
lo que se le considera como una substancia radiactiva primaria [las substancias radiactivas primarias son aquellas
que tienen un tiempo de vida media muy largo, comparado con la edad de la Tierra, y por ese motivo, aunque
existen desde la formación del planeta, todavía quedan en cantidades apreciables]. Es el origen o padre de una
familia numerosa véase la figura I.3) en la cual, con la excepción del último integrante que se considera estable,
todos los demás emiten radiaciones nucleares, es decir, son substancias radiactivas secundarias [las substancias
radiactivas secundarias son las que tienen vidas medias muy cortas, pero como se originan por el decaimiento de
las primarias, se están formando continuamente y por esa razón es posible encontrarlas en la naturaleza].
La inestabilidad de los núcleos provoca la emisión de varios tipos de radiación. Más adelante, en el capítulo
referente a los descubrimientos de Rutherford y la escuela inglesa, se encontrará una explicación amplia sobre
ellos, pues fue él quien logró identificar lo que en un principio Becquerel denominó radiación uránica. Por el
momento nos limitaremos a mencionar que existen las radiaciones alfa, beta y gamma.
Figura I.2. Curva de desintegración del uranio-238. Cada vez que transcurren 4 500 millones de años, la
radiactividad se reduce a la mitad.
Figura I.3. La familia del uranio-238. También se denomina 4n+2, porque los números de masa de los
integrantes pueden restarse de 2 unidades y dividirse entre 4, para dar un valor llamado n, el cual disminuye
desde 59 para el uranio-238: (4x59) + 2 = 238, hasta 51 para el plomo-206: (4x51) + 2 = 206.
Ahora bien, los núcleos de los átomos del uranio-238 son capaces de desprenderse, en una sola emisión, de dos
protones y dos neutrones, que forman una entidad que se denomina partícula alfa o radiación alfa. Después de la
emisión, el núcleo remanente posee 90 protones y 144 neutrones, se denomina torio-234 y sus propiedades físicas y
químicas son completamente diferentes de las de su padre (véase la figura I.2). La vida media del torio-234 es
solamente de algunos días y la radiación emitida es beta, es decir, partículas ligeras de carga negativa, similares a
los electrones que circundan al núcleo, sólo que la radiación beta proviene del interior de aquél. Esa emisión
equivale a la pérdida de una partícula neutra (neutrón) y la ganancia de un protón. El nuevo núcleo tiene entonces
91 protones y 143 neutrones y es diferente de sus dos predecesores: se trata del protactinio-234, emisor beta de vida
muy corta. Por su emisión, el número de protones y neutrones vuelve a cambiar y llega a ser 92 y 142. El elemento
que posee 92 protones ya lo hemos visto, es el uranio: sólo que en este caso, la suma de 92 + 142 = 234 y se
denomina uranio-234. Esta entidad se comporta químicamente igual que el padre de la cadena (uranio-238), pero
sus propiedades nucleares son distintas (por ejemplo, en la figura I.1 las vidas media de uno y otro). Cuando dos
entidades tienen el mismo número de protones y diferentes números de neutrones, como el uranio-234 y el uranio238, se dice que son isótopos de un mismo elemento.
El uranio-234 forma por decaimiento alfa al torio-230 y éste a su vez al radio-226 y así sucesivamente.
Es importante mencionar aquí que los valores de las vidas medias no solamente son responsables de la desaparición
de una especie radiactiva, sino también de su formación, de tal manera que en su momento dado puede alcanzarse
un equilibrio [el equilibrio de un sistema es el estado en el cual sus propiedades no se alteran con el tiempo]. Así,
si la vida media del padre es muy larga y la del hijo es corta, éste tiene en principio grandes probabilidades de
formarse y de desaparecer, hasta que llega un momento en que establece el equilibrio y padre e hijo coexisten, lo
que equivale a decir que el hijo sobrevive con la vida media de su padre. En el caso particular del uranio-238, cuya
vida media es inmensa, y de su hijo el torio-234, de vida media corta, se establece sin equilibrio que se denomina
secular.
Supongamos que por un proceso químico se logra separar al uranio de todos los integrantes de su familia radiactiva,
que inmediatamente se mide la radiactividad (tiempo=0) y que ésta es igual a 10 000 desintegraciones por minuto.
Si después de 80, 160, 240 o 320 días se repite la medición de radiactividad del uranio-238, hallaremos valores
muy similares, porque su vida media es tan larga (4 500 000 000 de años) que en un año no es posible apreciar su
decaimiento. Lo anterior se halla representado en la figura con la línea pespunteada. Si en la muestra se mide desde
tiempo = 0 y diariamente la radiactividad del hijo radiactivo, el torio-234 de 24 días de vida media, se aprecia que
esta aumenta gradualmente (línea llena en la figura I.4) hasta que después de 160 días prácticamente el número de
sus desintegraciones por minuto llega a ser de 10 000, el mismo valor que el de su padre y además entonces el torio234 no decae con su propia vida media, sino que se mantiene en equilibrio con su padre.
Cuando padre e hijo tienen vidas medias muy largas, el equilibrio puede tardar muchísimo tiempo y, prácticamente,
durante la vida de un ser humano, no se aprecia la formación del hijo. Por ejemplo, para que el torio-230 se ponga
en equilibrio con su padre el uranio-234 debe transcurrir casi medio millón de años. Sin embargo, en un mineral
muy antiguo como la pechblenda, el uranio-238 tuvo tiempo suficiente para que toda su descendencia alcanzara el
equilibrio radiactivo, lo que equivale a decir que todos decaen con la vida media del uranio-238 y que coexisten.
Cuando el mineral se procesa químicamente para separar al uranio, el uranio-238 forma, con relativa rapidez, al
torio 234, al protactinio-234 y al uranio-234, pero ningún otro miembro de la familia se puede observar en mucho
tiempo. Por esa razón los Curie observaron diferencias en la intensidad de la radiación que tenían las sales y los
minerales de uranio. En las primeras sólo estaban presentes los primeros cuatro integrantes de la familia radiactiva,
mientras que en el mineral se encontraba al uranio con toda su progenie.
Ahora bien, el uranio tiene un comportamiento químico diferente del de los otros elementos que integran su familia
radiactiva y cuando se separa del mineral, los demás quedan en los desechos. Por eso los Curie lograron encontrar
al polonio y al radio en los desechos que consiguieron. Estos elementos son muy poco abundantes en la naturaleza:
tan solo se encuentran 7.4 millonésimas de gramo de polonio y 340 miligramos de radio por cada tonelada de
uranio, de allí que Marie necesitara de varias toneladas de material para obtener cantidades ponderables de esos
elementos.
Figura I.4. ejemplo del equilibrio secular, en el vida media del padre es mucho mayor que la del hijo.
- - - línea correspondiente al padre: uranio-238 (vida media: 4 500 millones de años).
línea correspondiente al hijo. Torio-234 (vida media: 24 días).
La familia del uranio-238 (figura I.1) está integrada por los siguientes elementos químicos: uranio, protactinio,
torio, radio, radón, astato, polonio, bismuto, plomo, talio y mercurio. Los Curie lograron encontrar en esos
desechos al polonio y al radio pero fueron otros los que descubrieron al proctactinio (Fajans y Gohring 1913), al
radón (Dorn 1900) y al astato (1940). Los demás ya habían sido identificados, algunos desde la antigüedad, pero
fue ya en el transcurso del siglo XX cuando pudieron establecerse las relaciones radiactivas que existen entre ellos.
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II. LA ESTRUCTURA DEL ÁTOMO
MARCOS SOLACHE-RÍOS
MELANIA JIMÉNEZ-REYES
EL ATOMISMO
DESDE hace muchos siglos el hombre sospechó que el mundo físico se hallaba formado por partículas invisibles al
ojo humano y, según consideraron algunos pensadores de la antigua Grecia, indivisibles. Debido a esta última
cualidad esas partículas recibieron el nombre de átomos, término griego que significa "lo que no se puede dividir".
Atomismo, en sentido amplio, es cualquiera doctrina que explique los fenómenos naturales tomando como base la
existencia de partículas indivisibles. Por el contrario, las teorías denominadas holísticas explican las partes por
referencia al todo.
La teoría atomista fue desarrollada en el siglo V por Leucipo de Mileto y su discípulo Demócrito de Abdera.
Demócrito aseguraba que todo se compone exclusivamente de átomos y vacío.
El filósofo ateniense Epicuro (siglos IV-III a. C.) y el poeta latino Lucrecio, dos siglos después, asignaron a los
átomos la propiedad del peso y postularon la división del átomo en partes mínimas.
La doctrina atomista tuvo escasa repercusión en la Edad Media debido a la preminencia de las ideas holísticas de
Platón y Aristóteles.
Ya en el siglo XIX, el químico inglés John Dalton estableció la denominadas leyes estequiométricas (relativas a las
proporciones y relaciones cuantitativas que rigen las reacciones químicas) y aseguró que estas incluían la relación
de números enteros simples en las reacciones químicas. También en esa época Robert Boyle y Edmé Mariotte
habían enunciado las leyes de los gases referentes a las relaciones entre el volumen y la presión. El hecho de que
los gases pudieran comprimirse hasta límites máximos al aumentar la presión indicaba que sus constituyentes se
hallaban separados por grandes distancias y dejaban huecos entre ellos. Es decir que la materia, aun siendo
sometida a grandes presiones, no era continua. Todos estos fenómenos sólo hallaban explicación en la teoría
atómica.
EL ELECTRÓN
A fines del siglo XIX las condiciones estaban ya dispuestas y se empezaron a abrir las puertas para escudriñar la
estructura del átomo. Y fue el corpúsculo ahora denominado electrón el primero de los constituyentes atómicos que
pudo ser identificado por J.J. Thomson en 1897.
Joseph John Thomson nació el 18 de diciembre de 1856 en Cheetam Hiel, cerca de Manchester, Inglaterra. Hijo de
un vendedor de libros, fue de niño lector insaciable y magnífico estudiante. A los 20 anos, él joven ingeniero
Thomson obtuvo una beca para estudiar física y matemáticas en la Universidad de Cambridge y, acogido por el
Trinity College, se inició cómo estudiante y llegó a ser, años más tarde, el director. Lord Raleigh (1842-1919), que
era director de los famosos laboratorios Cavendish de la Universidad de Cambridge, designó como su sucesor, en
1884, a Thomson, quien demostraría con creces y a lo largo de 35 años lo atinado de la elección, pues contribuyó a
desarrollar uno de los mayores laboratorios de investigación que atrajo a científicos de todo el mundo. Allí
conocería a quien fue desde 1890, su esposa: Rose Elizabeth Paget, hija de sir George y lady Paget. Rose y Joseph
serían a su vez padres del laureado Nobel de 1937 en física: Georges Paget Thomson.
En la década de los años ochenta del siglo XIX, la teoría atómica aseguraba que los átomos eran torbellinos de
éter, una substancia sin peso que se consideraba difundida por todo el espacio.
Ya se ha mencionado en el capítulo I que el inglés Crookes descubrió los rayos catódicos en 1869 y que desde
entonces muchos investigadores se dieron a la tarea de hallar las propiedades de esos rayos. En el año de 1895 Jean
Perrin, en París, descubrió que los rayos catódicos eran partículas cargadas negativamente y los experimentos que
realizó enseguida. J. J. Thomson permitieron determinar su velocidad y medir el cociente de su carga y su masa.
J.J., como le decían cariñosamente sus amigos, realizó sus experimentos con un tubo se descarga al que le habían
eliminado el aire del interior, tal como el que se describe en seguida (véase la figura II.1). Los rayos catódicos
originados en el electrodo de la izquierda y limitados a un fino haz por los agujeros de los diafragmas D, atraviesan
dos placas paralelas de metal y el campo magnético de dos solenoides exteriores hasta llegar a una pantalla
fluorescente. Si las placas y los solenoides están descargados, el haz pasa recto y choca en el punto S de la pantalla.
Cuando las placas metálicas están conectadas a una fuente de alto voltaje, el haz de partículas negativas se desvía
hacia abajo debido a la carga positiva de la placa inferior (véase la figura II.1) y entonces el haz incide en el punto
N, siguiendo una trayectoria parabólica (véase la figura II.2(a)). Por el contrario, cuando se aplica solamente el
campo magnético de manera que las líneas magnéticas sean perpendiculares al plano de la página, el haz se curva
hacia arriba y llega al punto M. Esto se debe a que en un campo magnético uniforme los electrones siguen una
trayectoria circular (véase la figura 11.2(b)) J.J. se dio cuenta de que al aplicar el campo magnético y el eléctrico al
mismo tiempo las reflexiones podían compensarse y, al cumplirse esa condición, midió el campo eléctrico y la
inducción magnética aplicados. El cociente de esos valores resultó ser la velocidad del haz de los rayos catódicos,
que es de varios miles de kilómetros por segundo. Este valor depende del voltaje aplicado entre el ánodo y el
cátodo.
Thomson se apoyó en esos resultados para continuar sus investigaciones y encontró que el cociente carga/masa
(e/m) de los corpúsculos que integraban los rayos catódicos, ahora denominados electrones, era directamente
proporcional a la velocidad e inversamente proporcional a la intensidad del campo magnético aplicado y a la
distancia r (véase la figura II.2(b)), teniendo en cuenta que sólo se aplique ese campo magnético y el haz se desvíe
hacia arriba.
Figura II.1. Diagrama de un tubo de descarga empleado por J.J. para medir la velocidad de los rayos
catódicos.
El valor de e/m es de ¡175 000 000 000 de culombios por kilogramo! Un valor tan grande significa que la masa de
una partícula de rayos catódicos es muy pequeña comparada con la carga en culombios que lleva.
Algunos años después, en 1906, el físico norteamericano Robert Andrews Millikan (1868-1953) encontró el valor
de la carga de un electrón. Para escribir esa cifra es necesario colocar 18 ceros a la derecha del punto decimal y
luego el número 16, culombios. La masa del electrón pudo calcularse entonces con los resultados de Thomson y
Millikan, y para escribir la cifra de su valor se requieren treinta ceros a la derecha del punto decimal y luego el
número 9, kilogramo. Estamos hablando de partículas realmente pequeñísimas.
El primer modelo que trató de explicar la constitución del átomo fue el de J. J. Thomson, quien propuso la
existencia de una esfera de carga positiva, distribuida en el volumen del átomo, cuyo diámetro es de
aproximadamente una diezmillonésima de micra y supuso que partículas con cargas negativas, los electrones,
estaban dispersas de alguna forma ordenada en esta esfera.
Thomson fue galardonado con el premio Nobel en 1906 y Millikan en 1923. Cabe aquí señalar que de entre los
estudiantes e investigadores de la Universidad de Cambridge varios fueron galardonados con el Nobel además de J.
J. Thomson: lord Rayleigh en 1904, Rutherford en 1908, Bragg padre e hijo en 1915, Bohr en 1922, A. H. Compton
y C. T. R. Wilson en 1927, P. A. M. Dirac en 1933, J. Chadwick en 1935, G. P. Thomson en 1937, P. M. Blakett en
1948, J. D. Cockcroft y E. T. S. Walton en 1951, y M. Born en 1954.
J.J. Thomson murió el 30 de agosto de 1940 y fue sepultado en la abadía de Westminster, cerca de los restos de
Newton, Kelvin, Darwin y Rutherford.
Pero vamos a regresar a la época de fines del siglo XIX y principios del XX en Cambridge, donde tuvieron lugar
otros muchos descubrimientos de gran importancia.
Figura II.2. Comportamiento de los electrones. (a). En un campo eléctrico uniforme describen una
trayectoria parabólica. (b). En un campo magnético uniforme, su trayectoria es circular.
ERNEST RUTHERFORD
La soberanía de la Corona británica sobre Nueva Zelanda se inició en 1840. El archipiélago, situado al sureste de
Australia, vivía en esa época momentos de gran inestabilidad y quizá por eso el gobierno inglés apoyó el ingreso de
sus colonos en aquel país. El escocés George Rutherford y su familia se trasladaron allá en 1842 y se establecieron
en la Isla del Sur; que brindaba entonces un desarrollo económico favorable. James, hijo de George creció ya en
Nueva Zelanda y casó con Caroline Thompson. La pareja se estableció en un pueblo de Nelson. James era
campesino y Caroline maestra de escuela. Ernest, el segundo de sus doce hijos, nació en el 30 de agosto de 1871,y
desde pequeño se distinguió por su inteligencia excepcional, lo que impulsó a su familia a sostener sus estudios aun
a costa de grandes sacrificios.
Cuando Ernest tenía 15 años ganó una beca al lograr 580 aciertos de un total de 600 preguntas y el premio le
permitió asistir al Colegio Nelson, donde fue siempre el primero, no sólo en matemáticas, física y química, si no
también en latín, literatura inglesa, francés e historia. En 1889 ganó otra beca para el Colegio Canterbury que en
ese tiempo era una institución pequeña con aproximadamente siete profesores y 150 estudiantes.
Rutherford asistió al Colegio Canterbury de 1890 a 1894, se graduó a los 21 años y al siguiente año obtuvo el grado
de Master in Arts, First class honours en matemáticas y en física; este doble éxito había ocurrido solamente una
vez en la historia de la Universidad. Sus profesores fueron: de matemáticas, C. H. Cook y de física, A. Bickerton.
En 1894, Rutherford inició su sorprendente carrera experimental en la Universidad de Canterbury. Fabricó su
primer detector magnético a control remoto y pudo mandar y recibir señales a lo largo de su laboratorio. Igual que
muchos científicos, fabricaba sus propios aparatos, sencillos pero ingeniosos, pues aseguraba que se invertía más
tiempo en el mantenimiento de equipos complicados que en la obtención de resultados. Decía también que siendo
una persona sencilla, sus ideas básicas en física serían simples.
Rutherford obtuvo una beca como estudiante universitario distinguido de la Comunidad Británica de Naciones y así
logró ser el primer becario de ultramar que se matriculó en la Universidad de Cambridge, Inglaterra, en 1895.
Desde entonces fue miembro del Trinity College. Ernest casó en 1900 con Mary Newton, de Cristchurch. Al año
siguiente, nació su única hija, Eileen.
En el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, Rutherford continuó su trabajo sobre la detección de
ondas electromagnéticas de radio. Aumentó gradualmente el límite de la transmisión, y en 1896 pudo mandar
señales a media milla de distancia. Nadie había podido mandar señales tan lejos. En ese mismo año publicó un
artículo titulado "Un detector magnético de ondas eléctricas." Posteriormente J.J. Thomson lo invitó a unírsele para
estudiar el efecto de los rayos X sobre los gases.
La vida profesional de Rutherford puede ubicarse en cuatro periodos: el primero, de 1895 a 1898 en el Laboratorio
Cavendish de Cambridge: el segundo, de 1898 a 1907 en la Universidad de McGill en Montreal: el tercero, de 1907
a 1919, en la Universidad de Manchester y el cuarto, de 1919 a 1937, en Cambridge, cuando fue llamado a sustituir
a Thomson en el Laboratorio Cavendish como profesor de física experimental. En cada una de estas etapas
Rutherford participó decisivamente en el desarrollo del conocimiento: estuvo siempre en el candelero de la ciencia
tal como el mismo aseguraba, en el candelero que el había construido. Era un profesor que sabía transmitir a sus
discípulos su entusiasmo por la investigación científica. Disfruto de muchas preseas bien merecidas, sean
mencionadas el premio Nobel de química en 1908 por sus investigaciones sobre "La desintegración de los
elementos y la radiactiva" , y el título de barón que le fue otorgado en 1931. Él mismo escogió el título de lord
Rutherford de Nelson, por el cariño que le tenía a su tierra natal.
En el número de agosto de 1937 de la revista Nature, Rutherford publicó su último artículo que versó sobre el tritio.
Utilizando el método de electrólisis trató de enriquecer agua con los átomos pesados del hidrógeno e intentó
detectarlos mediante la técnica de la espectrometría de las masas. Ahora sabemos que para haber detectado tritio de
esa manera Rutherford tenía que haber enriquecido el agua un millón de veces con tritio, porque se trata de un
isótopo muy poco abundante. El tritio se conocía desde 1934, había sido descubierto por M. L. E. Oliphant, P.
Harteck y el mismo Rutherford.
Rutherford murió en Londres el 19 de Octubre de 1937. Algunas de sus últimas palabras sirvieron para indicar a su
esposa que deseaba heredar 100 libras esterlinas al Colegio Nelson.
LAS RADIACIONES ALFA, BETA Y GAMMA
En 1900 Rutherford estudió las propiedades de un gas emitido por el torio, al que llamó emanación del torio;
además descubrió que las sustancias radiactivas se estaban desintegrando continuamente. En enero de 1900, en la
revista Philosophical Magazine, Rutherford publicó una comunicación acerca de una sustancia radiactiva emitida
por compuestos de torio. Uno de los experimentos que describía consistía en lo siguiente (véase la figura II.3):
Se pasó una corriente de aire sobre una capa gruesa de óxido de torio encerrado en un recipiente de papel A,
dentro de un tubo largo de metal B. A, continuación el aire pasó a un gran recipiente cilíndrico aislado, C, del
cual fluyo finalmente, al través de una placa con agujeros finos. El electrodo de metal aislado, D, está
conectado a un par de cuadrantes de un electrómetro Kelvin [un electrómetro es un instrumento electrónico
para medir bajas diferencias de potencial y corrientes, extrayendo muy poca corriente del circuito]. Después
de dejar fluir el aire cierto tiempo, se interrumpió su paso y se midió la corriente de ionización entre C y E,
durante 10 minutos.
Los resultados se ilustran en la curva A de la figura II.4. Posteriormente Rutherford colocó el óxido de torio en una
caja de papel, entre dos cilindros de metal aislados y concéntricos, a lo largo de los cuales pasó una corriente de
aire a fin de separar la emanación a medida que se formara (figura II.3). Al cesar el flujo de aire y medir la
corriente de ionización entre los dos cilindros se obtuvieron los resultados representados en la curva B de la figura
II.4. se puede observar que la suma de A + B en la figura II.4 es constante en todo tiempo, t. Esto indica que, en
equilibrio, la emanación se produce con la misma rapidez con que desaparece.
Figura II.3. aparato de Rutherford para demostrar la desintegración de la emanación torón. A: óxido de
torio. B: tubo metálico. C: recipiente para captar el torón. D: electrodo metálico. K: electrómetro Kelvin.
Figura II.4. Curvas de desintegración (A) y crecimiento (B) del torón.
Ernest Rutherford y Frederick Soddy (1877-1956), este último merecedor del Nobel de química en 1921,
establecieron las relaciones mutuas de muchos elementos radiactivos naturales y también que la ley de disminución
de la radiactividad es exponencial, es decir, que durante un intervalo de tiempo la variación promedio de
radiactividad es proporcional a la actividad inicial (véase la gráfica de la vida media en la figura I.3 del capítulo I).
Aunque a Becquerel y a los esposos Curie se debe el mérito del descubrimiento de la radiactividad y de los
elementos polonio y radio, en las cuatro décadas siguientes este campo estuvo dominado por Rutherford y sus
colaboradores. Hacia 1904 se habían descubierto unos 20 elementos radiactivos, gracias a una serie de
investigaciones brillantes e ingeniosas de Rutherford, a menudo en colaboración con Soddy. También fue una
accidente feliz, en este aspecto, que P. Curie descubriera una emanación del torio, y que estos investigadores
pudieran llegar a la conclusión de que tales emanaciones eran gases nobles, a saber, radón y torón, este último
identificado posteriormente como un isótopo del radón.
Rutherford y Soddy publicaron algunos artículos sobre la causa y la naturaleza de la radiactividad y el cambio
radiactivo. En el número de noviembre de 1902 de la revista Philosophical Magazine dijeron:
La interpretación de los experimentos arriba mencionados tiene que ser, por consiguiente, que la emanación es un
gas químicamente inerte, de naturaleza análoga a los miembros de la familia del argón. En la misma comunicación
hacen especulaciones acerca de la asociación del helio con la radiactividad, y en su conclusión dicen que la ley de
la declinación con el tiempo aparece como la expresión de la ley simple del cambio químico, en la cual una
sustancia solo se altera a velocidad proporcional a la cantidad de ella.
Rutherford encontró que el uranio emitía dos tipos de radiación diferentes por su poder de penetración. Estos eran
los rayos alfa, que podían ser detenidos fácilmente por una hoja papel o en una trayectoria por el aire de unos
cuantos centímetros y los rayos beta, que eran mucho más penetrantes y podían atravesar una capa de varios
milímetros de aluminio. Ahora se sabe que el uranio mismo no emite radiación beta, sino la radiación alfa y que la
radiación beta observada entonces provenía de algunos hijos radiactivos. En 1900; el francés Paul Urich Villard
(1860-1934) halló que el radio emitía un tercer tipo de radiación mucho más penetrante, y los rayos de este tipo
fueron llamados rayos gamma.
La identidad de los rayos alfa y gama eludió ser determinada durante varios años. Inicialmente se creyó que un
campo electromagnético no ejercía influencia sobre los rayos alfa, pero en 1902 Rutherford mostró que estos rayos
sí eran desviados por campos eléctricos y magnéticos poderosos, y que para un campo dado su desviación era
mucho menor que la de los rayos beta y en dirección opuesta, lo que indicaba que esos rayos eran partículas
cargadas positivamente. También en 1902, por la medición de la desviación de los rayos alfa del radio en campos
eléctricos y magnéticos, Rutherford llegó a la conclusión de que esos rayos viajaba a la velocidad de 2 500 000 000
cm/seg y que su razón carga/masa era aproximadamente de 6 000 unidades atómicas de masa por gramo.
Quedó entonces establecido que las partículas alfa son idénticas al núcleo del elemento helio, que las beta son
similares a los electrones extranucleares y que la radiación gamma la constituyen ondas electromagnéticas de la
misma frecuencia o ligeramente mayor que la de los rayos X. Es importante, sin embargo, hacer notar aquí que
tanto las radiaciones alfa como las beta y las gamma provienen de los núcleos atómicos.
En nuestro tiempo se conoce ya la naturaleza de los esquemas de desintegración gracias al esfuerzo notable de
todos aquellos investigadores. Ahora, con los modernos detectores de radiactividad y los equipos electrónicos
disponibles, entre ellos las computadoras, es muy fácil reproducir sus resultados.
En 1903 Rutherford calculó la enorme cantidad de energía que se libera en el decaimiento del radio. Mostró que la
energía que interviene en la transformación de los átomos es mucho mayor que la que lo hace en la reacción
química de los mismos átomos. En ese mismo año fue electo presidente de la Royal Society, el mismo puesto que
ocupó Newton de 1703 a 1727.
EL DETECTOR GEIGER
En 1908, Rutherford y el físico alemán Geiger (1882-1945) encontraron un método para detectar las partículas
subatómicas individuales y construyeron el primer contador de partículas, más tarde mejorado por Geiger. Este fue
el famoso contador Geiger que aún se emplea.
Rutherford y Geiger detectaron y contaron las partículas por medio de su acción ionizante. Aunque este efecto era
demasiado pequeño para medirlo directamente con los medios de que se disponía, era posible multiplicar el número
de iones formado por cada partícula mediante la ionización por colisión. El dispositivo está representado en la
figura II.5. La presión en el interior del tubo es de unos cuantos centímetros de mercurio. Si la partícula alfa
atraviesa la ventana V se produce una pulsación de corriente y el electrómetro E indica una desviación, que
desaparece rápidamente, porque la carga eléctrica se disipa a través de la resistencia R. La duración de la descarga
es de aproximadamente 10-4s, pero la inercia del electrómetro de cuadrantes impedía poder contar más de tres a
cinco partículas por minuto. Actualmente este método es uno de los más rápidos y con él se puede contar un millón
de partículas por segundo.
En 1913 Geiger describió el contador puntiforme (figura II.6). El extremo de un alambre delgado termina en una
punta fina P, en el interior del tubo hay, aire seco a la presión atmosférica, y las partículas penetran al través de V.
Geiger aplicó al tubo un voltaje de 1 000 a 2 000 volts y observó que si una partícula pasa al través de V se produce
una descarga momentánea desde la punta, y el electrómetro registra una pulsación . El motivo de la inmediata
interrupción de la descarga es el efecto de la carga espacial.
El contador Geiger-Müller fue ideado en 1928 (figura II.7). Está formado por un alambre delgado montado en el
eje de un cilindro que contiene un gas a presión de 2 a 10 mm de mercurio. El funcionamiento de este tubo es
análogo al del anterior, pero en lugar de una descarga puntiforme se obtiene una descarga de corona.
El funcionamiento de estos detectores de radiación se basa en que cuando un gas se encuentra encerrado en un
recipiente y se le aplica una diferencia de potencial, se pueden recolectar en los electrodos correspondientes los
electrones y los iones producidos por la radiación que lo atraviesa. Ambos electrodos deben estar separados por un
material aislante y conectados a una fuente de voltaje que crea una diferencia de potencial.
En la figura II.8 puede observarse que las curvas que forman la gráfica del número de iones recolectados como una
función del voltaje aplicado en los electrodos, dependen de la naturaleza de la radiación incidente: así, la curva de
las partículas alfa se sitúa por encima de la que se obtiene con las beta. Esto se debe a que las partículas alfa son
más ionizantes que las beta y provocan un mayor número de iones por unidad de longitud en su recorrido.
Figura II.5. Contador proporcional. V: ventana. E: electrómetro. R: resistencia.
Figura II.6. contador puntiforme. V: ventana.
Figura II.7. Contador Geiger-Müller.
Figura II.8. Variación del número de iones colectados en función del voltaje aplicado a un sistema de
electrodos (1). Recombinación (2). Cámara de ionización (3). Contador proporcional (4). Región de
proporcionalidad limitada (5). Geiger (6). Región de descarga continua.
El número de iones recolectados no es proporcional al voltaje aplicado, debido a que los iones creados por la
radiación se comportan de manera diferente al aumentar el voltaje; esto origina la existencia de varias regiones en
las curvas.
Cuando el voltaje que se aplica es muy bajo, la atracción que ejercen los electrodos sobre los iones formados es
pequeña, por lo que una fracción de esos pares de iones tiende a recombinarse entre sí, sin permitir que se lleguen a
recolectar. A medida que el voltaje aumenta, la fuerza de atracción crece hasta que se recolectan todos los iones
formados en el detector. Esto es lo que sucede en la región conocida como de saturación, representada con el
número 2 de la figura II.8. El dispositivo utilizado se denomina cámara de ionización, de allí que la región de
saturación se denomine también región de la cámara de ionización. En esa región de voltaje se recolectan los
llamados iones primarios, formados directamente por la interacción de la radiación con el gas.
Cuando el voltaje aumenta, esos iones primarios se aceleran de tal manera que pueden a su vez provocar
ionizaciones. Los nuevos iones formados se denominan iones secundarios y al efecto se le denomina amplificación
por el gas. En la región 3 de la figura II.8, el número de iones recolectados crece proporcionalmente según el
voltaje aplicado, por lo que al detector que utiliza esa región de voltaje se le conoce como detector proporcional. En
la misma región puede observarse que la inclinación de la curva para las partículas alfa es idéntica a las de las beta.
Parecería que el efecto de amplificación continuaría indefinidamente al aumentar el voltaje; sin embargo, se llega a
un valor de voltaje tal que la atracción ejercida por los electrodos en los iones y electrones es tan fuerte que éstos
son rápidamente absorbidos por el electrodo central, mientras que los iones positivos que se desplazan a
velocidades menores permanecen aún en el detector y dan la impresión de que engrosan el diámetro del electrodo
central. Con esto disminuye la intensidad de la fuerza de atracción y cambia la proporcionalidad entre el número de
iones recolectados y el voltaje.
Cuando el voltaje se incrementa más todavía, el número de iones recolectados es independiente del tipo de
radiación y del número de iones primarios formados, porque la atracción que crea el voltaje hace que los electrones
se aceleren y por cada ionización se crean más iones secundarios, formándose así una reacción en cadena. Esta
región, la número 5 de la figura II.8, la estudió Geiger con el tubo detector que lleva su nombre. Con voltajes
todavía más altos, el tubo comienza a producir un gran numero de señales, aun cuando ninguna radiación lo
atraviese, hasta llegar a hacerlo de manera continua; a esto se le llama "región de descarga continua del tubo"
(región numero 6 de la figura II.8) y parece como si el detector estuviera contando las partículas cargadas.
En la práctica, un mismo tubo no puede utilizarse con cualquier voltaje, porque para cada región existen
condiciones específicas. Desde el punto de vista del alambre central, los detectores Geiger y proporcional utilizan
alambres más delgados que la cámara de ionización, para lograr voltajes más altos. En lo referente al gas de
llenado, las cámaras de ionización pueden llenarse con aire, los contadores proporcionales, con metano, bióxido de
carbono o una mezcla de argón y metano, y los Geiger, con una mezcla de gases tales como el argón o el neón y un
compuesto orgánico (etanol) o un gas halógeno (cloro o bromo).
EL MODELO NUCLEAR DE RUTHERFORD
De 1909 a 1911 Rutherford, Geiger y Marsden hicieron experimentos sobre la dispersión de las partículas alfa en la
materia. Esos experimentos proporcionaron información sobre la radiactividad natural de los elementos y se
comprobó que el elemento radio emitía partículas en forma espontánea.
El aparato con el cual realizaron sus experimentos estaba integrado por una cámara al vacío que contenía en su
interior un fuente del elemento radio, el cual emitía partículas alfa en todas direcciones. Dentro de la cámara se
encontraba un bloque de plomo con un orificio central para colmar al haz de partículas alfa. El haz llegaba hasta
una lámina de oro de media micra de espesor y al final de la cámara colocaron una pantalla de sulfuro de cinc
(véase la figura II.9).
Rutherford y sus colaboradores observaron que la mayoría de las partículas atravesaban la delgada lámina de oro y
producían centellas en la pantalla de sulfuro de cinc; pero también que algunas eran desviadas y otras, muy pocas,
eran repelidas totalmente por la lámina de oro.
Figura II.9. Aparato usado por . Rutherford y sus colaboradores para estudiar la estructura del átomo.
Las observaciones anteriores y las consideraciones de que el oro no puede ser comprimido (lo cual hace suponer
que sus átomos están acomodados regularmente) y de que las partículas alfa son cuatro veces más pesadas que el
hidrógeno y manifiestan una carga de 2+, condujeron a Rutherford a las siguientes conclusiones:
a)El núcleo es una parte pequeña central del átomo de oro y tiene carga positiva.
b)El núcleo es tan pequeño que es muy poco frecuente que una partícula alfa choque con él o pase cerca y sea
desviada.
c) El núcleo tiene una masa mayor que las partículas alfa y es de carga positiva porque cuando una partícula
alfa choca con él, ésta es repelida y entonces rebota.
d) El átomo está casi vacío y los electrones están muy alejados del núcleo, ya que la mayoría de las partículas
alfa atraviesan la lámina de oro y son pocas las que rebotan o se desvían.
e) Los electrones son 1 836 veces menos pesados que el protón y las partículas alfa son núcleos de helio cuya
masa es cuatro unidades mayor que la del protón, por lo tanto las partículas alfa no son desviadas por los
electrones.
f) La masa del átomo es la suma de sus constituyentes nucleares, ya que casi la totalidad de la masa de los
átomos se encuentra en el núcleo.
Rutherford calculó que el tamaño del núcleo es aproximadamente 10-13 a 10-15 cm, por lo que es un millón de
veces más pequeño que el átomo y la distancia que separa un núcleo de otro es del orden de 10-8 cm. Ésa es la
razón por la que la mayoría de las partículas alfa podían atravesar la lámina de oro. Rutherford preparó una imagen
nueva de la estructura del átomo. Sus cálculos matemáticos basados en esos experimentos revelaron al mundo
científico una idea del tamaño del núcleo central y del espacio a su alrededor. En 1911, Rutherford propuso su
modelo nuclear del átomo, que fue publicado en el Philosophical Magazine. Posteriormente Moseley y Bohr
completaron las observaciones y trabajos de Rutherford y establecieron otros modelos tendientes a explicar la
estructura del átomo.
EL NEUTRÓN
En junio de 1920 Rutherford, en una conferencia ante la Royal Society, hizo una de sus más importantes
predicciones: dijo que podría existir, en alguna parte del átomo, una partícula neutra, la cual, si se encontrara, sería
mucho más útil como proyectil que las partículas alfa.
En 1930, W. Bothe y H. Becker observaron que algunos de los elementos más ligeros, como el litio y el berilio,
emitían una radiación muy penetrante cuando eran bombardeados con partículas alfa procedentes de los elementos
radiactivos naturales.
La publicación del 18 de enero de 1932 de Irène Curie y Frederic Joliot, en las Actas de la Academia de Ciencias
(véase el capítulo III), interesó profundamente a James Chadwick, quien en 1919 había ingresado al Laboratorio
Cavendish de Cambridge, donde Rutherford era el director. Rutherford, interesado en el tema al igual que
Chadwick, pidió a éste que verificara las medidas de los Joliot, lo que realizó de inmediato gracias a las fuentes
intensas de polonio que el mismo Chadwick acababa de preparar. La idea de la existencia de una partícula neutra,
de masa igual a la del protón, flotaba en el ambiente del Laboratorio Cavendish desde que Rutherford había
sugerido que una partícula así podía existir.
Después de algunos días de intenso trabajó Chadwick, al estudiar las características de las colisiones de la radiación
desconocida con los protones y con otros núcleos ligeros, comprobó que se trataba de neutrones. Esto fue posible
gracias a su sistema de detección, que consistía en una cámara de ionización conectada a un amplificador
proporcional de válvulas, con el cual podía medir la energía de las radiaciones observadas. Este descubrimiento
permitió a James Chadwick recibir el premio Nobel de física en 1935. El equipo utilizado en estos experimentos,
muy moderno en esos días, no existía en el Instituto del Radio en Francia, razón por la cual los Joliot no se dieron
cuenta de la existencia del neutrón. Sin embargo, puede decirse que el hallazgo del neutrón se dio como el fruto de
las investigaciones llevadas a cabo sucesivamente en tres países diferentes: Alemania, Francia y Gran Bretaña y
gracias a la comunicación existente entre los científicos de esa época. El descubrimiento del neutrón fue el inicio de
la era nuclear.
OTRAS INVESTIGACIONES
Posteriormente, el interés se enfocó hacia la posibilidad de producir partículas rápidas para bombardear núcleos y
esto dio como resultado la fabricación de los aceleradores de partículas. Entre los primeros se puede mencionar la
máquina de Bothe y Becquer en Alemania, la de Cockcroft-Walton en el Laboratorio Cavendish de Cambridge, y el
ciclotrón del norteamericano Lawrence.
Los experimentos realizados con esas máquinas fueron decisivos para la física nuclear. Aunque al principio la
energía de los haces de protones obtenidos fue solamente de 400 000 a 500 000 volts, se pudo comprobar, por
ejemplo, que los protones penetran en los átomos de litio, cuyo peso atómico es 7, para formar una sustancia de
peso atómico 8, la cual se desintegra rápidamente en 2 átomos de helio, cada uno de peso atómico 4.
Los reunidos acerca de los estados fundamentales de los diferentes núcleos y de sus estados excitados, obtenido
tanto mediante el estudio de los isótopos radiactivos como por las investigaciones acerca de las reacciones
nucleares, han servido para la elaboración de los modelos nucleares. Estos generalmente tratan de explicar el
máximo número de hechos con el mínimo de hipótesis acerca de la estructura nuclear y la interacción entre
nucleones en el núcleo.
Prosigue en la actualidad el estudio de la estructura nuclear, gracias a los aceleradores de partículas de cada vez
mayor rendimiento construidos en los últimos años, con el propósito de comprender mejor la interacción entre
nucleones en el interior del núcleo y los fenómenos que suceden en la materia nuclear excitada por colisiones con
iones pesados de diferentes energías. En fin, la estructura íntima del átomo sigue siendo un campo fértil para el
estudio y un reto difícil de vencer.
BIBLIOGRAFÍA
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J. E. Greene, 100 grandes científicos, 10a. ed., Editorial Diana, México, 1981.
III. LA RADIACTIVIDAD ARTIFICIAL
SUILMA M. FERNÁNDEZ-VALVERDE
SILVIA BULBULIAN
LOS DESCUBRIDORES: FRÉDERIC E IRÈNE JOLIOT CURIE.
JEAN FRÉDERIC, hijo menor de la familia Joliot, nació en París, Francia, el 19 de marzo de 1900. Era un niño
bullicioso e impulsivo. Fue su padre un industrial francés, quien le transmitió el gusto por la caza, la pesca y las
actividades al aire libre; su madre, enérgica y culta, le legó sus ideas republicanas. Era un alumno como muchos en
la escuela secundaria, sobresaliente en gimnasia. No fue sino hasta el bachillerato cuando se interesó en la física y
la química y construyo un pequeño laboratorio en el baño de su casa, el cual adorno con fotografías, entre las que
destacaba la de los esposos Curie, pues Fréderic admiraba enormemente a Pierre Curie.
Ya en la universidad, en la Escuela de Física y Química, fue alumno de Paul Langevin, quien influyó notablemente
en Fréderic, tanto en el dominio de la ciencia como en el de la política. Langevin apreciaba la mente lúcida de
Fréderic y admiraba la claridad de su razonamiento. Siendo todavía estudiante, Fréderic se interesó por el
desarrollo tecnológico. Egresó de la escuela en 1922 con el título de ingeniero. Sólo pudo trabajar seis semanas en
la industria antes de incorporarse al servicio militar; no fue sino hasta que se reintegró a la vida civil cuando se
reveló su verdadera vocación: la ciencia.
Tuvo la oportunidad de entrar en contacto con Langevin y de hacerlo partícipe de sus inquietudes científicas.
Langevin le ofreció entonces una de las becas Rothschild. Aun cuando la beca implicaba una retribución económica
menor a la que podía recibir en la industria, Fréderic la aceptó de inmediato. Poco después Langevin le comunicó
que sería técnico de Marie Curie en el Instituto del Radio. Trabajar con ella fue, para Fréderic, la realización
inesperada de su más grande anhelo.
Irène era la primogénita de Pierre y Marie Curie. Nació en París, Francia, en 1897. A la edad de 17 años ya
ayudaba a su madre en los servicios radiológicos de los hospitales durante la primera Guerra Mundial, tarea muy
dura, ya que desde temprana edad tuvo que enfrentarse a los horrores de la guerra. El hecho de trabajar con los
rayos X sin la protección adecuada le originó, sin duda, los males que le aquejaron más tarde. Estas actividades le
dieron la oportunidad a Marie Curie de observar el talento de su hija mayor. Después de la Guerra, Irène empezó a
trabajar en 1919, en el Instituto del Radio con su madre; así nació la colaboración más estrecha que en el plano
científico se haya dado en ese Instituto. Irène ideó un electroscopio de hojas de oro para medir la radiactividad
(figura III.1). Más tarde se dedicó a la investigación básica y preparó su tesis sobre los rayos del polonio, tesis que
sustentó en 1925.
Desde los veinte años, Irène Curie ya tenía la personalidad que la iba a caracterizar siempre. Serena y pensativa,
contrastaba fuertemente al lado de Fréderic, elegante y simpático; no obstante, tenían en común sus ideas
avanzadas y el gusto por los deportes al aire libre, la natación, los barcos de vela y esquiar.
Figura III.1. Electroscopio de hojas de oro. Las hojas divergen por repulsión eléctrica, debido a la carga de
la barra; en caso de que las descargas sean iguales, y se atraen cuando las cargas son diferentes.
El matrimonio de Jean Fréderic e Irène, el 4 de octubre de 1926, asombró profundamente a sus amigos y conocidos.
Transcurrió mucho tiempo antes de que se apagaran los rumores generados por esta boda: Diez años después
Fréderic comentaba con amargura que no lo habían entendido y que su matrimonio con Irène no se debía al interés
por su profesión. Fréderic había sentido además el rechazo de los científicos de París, por provenir de la Politécnica
y esto no lo olvidó jamás.
En esta época, después de pasar sus exámenes de doctorado, Fréderic solicitó una plaza de tiempo completo en la
universidad; la cual le fue negada. En 1930 el matrimonio tenía ya una hija, Helène. Posteriormente, en 1932
nacería Pierre y por lo tanto la beca Rothschild de que disponía Fréderic era insuficiente para sus necesidades
económicas. Como sus oportunidades en el Instituto del Radio estaban bloqueadas a pesar de ser yerno de Marie
Curie, Fréderic pensó seriamente en abandonar la ciencia. Fue entonces cuando inició sus clases de medidas
eléctricas en la Escuela de Electricidad Industrial Charliat, pudiendo así continuar su trabajo científico. Marie Curie
opinaba que su yerno era un hombre muy brillante, decía que "producía destellos".
Hasta el año de 1927 Irène y Fréderic habían trabajado en forma independiente y habían publicado una gran
cantidad de estudios pero, ninguno de los dos se había afirmado cómo investigador.
INVESTIGACIONES EN EL INSTITUTO DEL RADIO
Los nuevos elementos, el polonio y el radio, habían despertado debido principalmente a una de sus principales
características: emitir radiación ionizante. Marie Curie llamo radiactividad a esta propiedad de la materia.
El primer experimento en el que se mostró la transmutación de la materia fue en el año de 1919 en Inglaterra, por
Rutherford, con partículas alfa provenientes de la desintegración radiactiva del polonio (véase el capítulo sobre la
estructura del átomo). Rutherford bombardeó núcleos de nitrógeno con partículas alfa y encontró que, en esta
reacción los núcleos de nitrógeno se transforman en núcleos de oxígeno. Rutherford mostró así que un elemento
químico puede transformarse artificialmente en otro con propiedades físicas y químicas diferentes a las del original,
lo cual sólo se había observado anteriormente en los elementos radiactivos naturales.
Irène y Fréderic utilizaron el radio separado por Marie (1.5 g de radio al cual se había acumulado polonio en el
transcurso de los años). Su primer trabajo en colaboración consistió en la preparación de una muestra de polonio de
gran pureza y de actividad específica elevada utilizando la técnica de electrólisis. [Se llama electrólisis a la
producción de un cambio químico que se realiza haciendo pasar una carga eléctrica por ciertos líquidos
conductores (electrolitos). La corriente se conduce por migración de iones. Los positivos, cationes, van al cátodo
(electrodo negativo) y los negativos, aniones al ánodo (electrodo positivo).] Lograron obtener fuentes de 200
milicuries sobre superficies de 20 milímetros cuadrados y resumieron sus resultados en una nota a la Academia de
Ciencias de Francia sobre el número de iones producidos por los rayos alfa del polonio.
A fines de 1930 los experimentos más comunes en física nuclear en Europa consistían en tomar dos sustancias, una
radiactiva y otra inerte, ponerlas en contacto y estudiar los resultados. En principio, se podía deducir lo que pasaba
cuando una partícula chocaba con un átomo de la sustancia bombardeada, pero en la práctica normalmente no era
posible identificar a los productos de la reacción. Dos investigadores alemanes, Walter Bothe y Herbert Becker,
bombardearon un fragmento de berilio con partículas alfa provenientes de una fuente de radio y comprobaron que
se producía una radiación muy penetrante, capaz de atravesar 2 cm de plomo.
Muchos investigadores, entre ellos Fréderic e Irène, pensaron que se trataba de una nueva clase de radiación
gamma. Con el propósito de esclarecer este problema, los esposos empezaron a trabajar, a principios de 1932, con
la fuente de polonio que habían preparado, la cual tenía la ventaja sobre el muy utilizado radio, de emitir casi
únicamente radiación alfa (figura III.2).
Figura III.2. Esquema del decaimiento del polonio 210.
EL NEUTRÓN
Los esposos Joliot observaron intrigados que cuando se exponía el boro o el berilio a la radiación alfa de su fuente
de polonio detectaban las misteriosas radiaciones (o partículas) penetrantes. Más adelante decidieron colocar frente
a estas radiaciones diversos elementos, en particular el más ligero de todos, el hidrógeno de la parafina, del celofán
o del agua. Observaron con asombro que, por efecto de las radiaciones desconocidas, los átomos de hidrógeno
salían despedidos a gran velocidad. Este trabajo se publicó el 18 de enero de 1932, en las Actas de la Academia de
Ciencias de Francia El fenómeno que se describe se encuentra representado en la figura III.3 para el caso particular
de una molécula de propano.
Figura III.3. Proyección de los átomos de hidrógeno, en una molécula de propano, por los neutrones
producidos en la reacción nuclear.
James Chadwick (189-1974), del Laboratorio Cavendish de Cambridge, al leer el trabajo publicado por los
científicos franceses intuyó de inmediato que esta nueva radiación comprendía no sólo radiación gamma sino una
partícula aún no descubierta, el neutrón, que había sido propuesta teóricamente por su maestro Rutherford, pero en
diez años no se había logrado probar su existencia. Aun cuando la participación de los esposos Joliot fue
fundamental en el descubrimiento del neutrón, su desilusión fue muy grande al enterarse de cuán cerca habían
estado de identificarlo. En efecto, el equipo de detección con que contaban en el Instituto del Radio no les hubiera
permitido nunca llegar a ese hallazgo. Chadwick, en cambio, contaba con un detector asociado a un amplificador
que le permitía seguir las partículas emitidas, y pudo así probar experimentalmente que la nueva radiación estaba
constituida, de hecho, tanto por rayos gamma como por neutrones.
Fréderic e Irène Joliot habían estado muy cerca de descubrir el neutrón. Sin embargo, fue Chadwick quien pudo
explicar el fenómeno observado por los esposos franceses y fue él también quien recibió el premio Nobel por el
descubrimiento del neutrón. Se cuenta que Rutherford (18714937) habría comentado "Sería mejor esperar un año
antes de dar el premio a Chadwick. Me extrañaría mucho que los dos jóvenes franceses no hicieran ningún
descubrimiento de aquí a entonces."
ELECTRONES POSITIVOS
En 1928 el físico Paul Adrien Maurice Dirac (1902-1984), en Cambridge, formuló su teoría cuántica relativista del
electrón que tenía en cuenta su movimiento de rotación sobre sí mismo, como si fuera un trompo. Esta rotación se
conoce con el nombre de spin. Esta teoría conducía a una ecuación con dos soluciones: una parte negativa y una
parte positiva. La primera solución correspondía al electrón y Dirac pensó que la segunda correspondía al protón.
No fue sino hasta 1931 que por una crítica de J. Robert Oppenheimer (1904-1967) se propuso la existencia del
antielectrón o positrón.
Ese mismo año Fréderic desarrolló un nuevo modelo de cámara de Wilson de presión variable que podía situarse en
un campo magnético. [La cámara de Wilson o cámara de niebla es una cámara con vapor de agua, en la cual, al
aumentar el volumen de la cámara, se provoca una disminución de la temperatura y la condensación del vapor en
forma de gotitas de niebla. En condiciones adecuadas la condensación de las gotitas se efectúa sobre los iones
producidos por una radiación (el paso de una partícula a, un electrón o un protón, ioniza el gas que atraviesa, es
decir, crea a lo largo de su recorrido un cierto número de pares de iones), las gotitas se forman sobre estos iones,
y así se obtiene la trayectoria de las partículas cargadas visibles a simple vista, las cuales se pueden fotografiar.
En la primavera de 1911, Wilson observó las trayectorias de los electrones creados al atravesar los rayos X su
cámara.]
El 2 de agosto de 1932, Carl David Anderson (1905 - ) en una cámara de Wilson vertical construida por él y R. A.
Millikan, observó una trayectoria de carga positiva, la cual no correspondía a ninguna de las partículas conocidas
hasta entonces. No podía tratarse de un protón a causa de la longitud de la huella y por el hecho de que había
atravesado seis milímetros de plomo (véase el capítulo I sobre las propiedades de las partículas). Por sus
observaciones experimentales dedujo que tenía una masa comparable a la del electrón y le dio el nombre de
electrón positivo o positrón, lo que le valió, en 1936, el premio Nobel. La existencia del positrón demostró
corresponder a la segunda solución a la ecuación de Dirac mencionada anteriormente.
En tanto, Fréderic realizaba nuevas pruebas sobre la emisión de neutrones. Fréderic e Irène se preguntaban sobre la
reacción implicada en el caso del aluminio, estudiada por Bothe y Becker. Entre diferentes hipótesis, especularon
con la posibilidad de una reacción.
27Al
+ α → 30P + n
El 30P sería un isótopo aún desconocido del fósforo, hipótesis que les planteaba dificultades, ya que para ellos,
como para todos los físicos de la época, el núcleo final resultante sólo podía ser un núcleo estable:
A partir de las observaciones que hicieron en la cámara de Wilson, Fréderic e Irène habían señalado "ciertas
trayectorias desviadas en sentido contrario por el campo magnético", que ellos explicaron como cierto número de
electrones de energía cuántica elevada que se dirigía hacia la fuente. Después del descubrimiento del positrón por
Anderson, esta observación quedaba explicada: se trataba de los electrones positivos que debían ser producidos por
la radiación γ.
Fredéric e Irène Joliot establecieron que los rayos γ energéticos de los elementos naturales se materializaban, es
decir, producían un par e+e- (positrón-electrón). Confirmaron que esta materialización sólo aparece en el caso de
energías gamma superiores a 1.02 MeV, lo que corresponde a la masa del par e+e- , y finalmente pudieron,
observar, en la cámara de Wilson, el par positrón-electron.
EL DESCUBRIMIENTO DE LA RADIACTlVIDAD ARTIFICIAL.
Continuando con esta línea de investigación, y realizando los experimentos con el equipo mostrado en la figura
III.4, Irène y Fréderic irradiaron aluminio con las partículas alfa de su fuente de polonio y observaron que producía
una radiación muy penetrante y de vida larga que no se podía explicar con los conocimientos de entonces. Se la
detectaba aún después de suprimir la fuente emisora de partículas alfa y su intensidad disminuía siguiendo una ley
exponencial. Habían realizado uno de los descubrimientos más importantes en la ciencia: el de la radiactividad
artificial.
En efecto, la radiación alfa transforma al aluminio en un isótopo del fósforo, el fósforo 30. Este isótopo radiactivo a
su vez se desintegra y forma silicio. La reacción se puede expresar de la siguiente manera:
La pareja determinó si se había creado fósforo en la hoja de aluminio. El trabajo era bastante difícil, ya que el
nuevo elemento tenía una vida media breve, de tan sólo cinco minutos, por lo que necesitaban separar rápidamente
el fósforo y el aluminio para poder identificar al nuevo núcleo radiactivo. Esto lo consiguieron con el método
esquematizado en la figura III.5.
Figura III.4. Diagrama del equipo utilizado en el descubrimiento de la radioactividad artificial. (a) muestra
de Po. (b) cámara de vidrio con CO2. (c) ventana de Al (d) deetector de radiaciones.
Figura III.5. Producción de isótopos radiactivos por irradiaciones con neutrones. El núcleo X captura un
neutrón (n) para dar un núcleo compuesto. * el cual es a su vez se desintegra para dar un isótopo radiactivo.
El entusiasmo de Fréderic por este descubrimiento fue tal que empezó a saltar y correr en el laboratorio diciéndole
a su colaborador Gentner: "Para el neutrón llegamos tarde, para el positrón llegamos demasiado tarde, pero esta vez
llegamos a tiempo."
Llamaron a Marie Curie, quien llegó rápidamente acompañada de Langevin. Y, con el fin de verificar por sí misma
el descubrimiento, tomó entre sus manos el tubo con el aluminio recién irradiado con las partículas α y lo colocó
frente a su detector Geiger, que empezó a emitir señales indicando presencia de radiactividad por el 30P producido
artificialmente.
El fenómeno misterioso que Pierre y Marie observaron sin poderlo modificar fue inducido por sus hijos, facilitando
con ello su estudio. Antes de morir, Marie Curie alcanzó a ver que la obra que ella y Pierre Curie habían realizado
con tanto ahínco era coronada por el éxito: el descubrimiento de la radiactividad artificial realizado por su hija
Irène y su yerno Frederic.
EL PREMIO NOBEL
La Academia de Ciencias de Suecia le otorgó el premio Nobel de química a Fréderic e Irène Joliot-Curie el 12 de
diciembre de 1935 por sus trabajos sobre la síntesis de elementos radiactivos. Fue el tercer premio Nobel concedido
a la familia.
El día en que se anunció oficialmente la concesión del premio Nobel a los Joliot-Curie, Irène, que no había
olvidado la invasión de periodistas cuando premiaron a sus padres, se refugió en el mercado con su esposo, donde
compró un mantel de plástico para su casa.
El matrimonio Joliot-Curie se volvió entonces tan popular en Francia como lo era anteriormente el matrimonio
Curie; el rector de La Sorbona ofreció una gran cena en su honor. Marie Curie ya no se encontraba entre los
presentes, pero la madre de Fréderic todavía asistió a este evento.
El dinero del premio Nobel les permitió mudarse del centro de París e instalarse en Sceaux, un suburbio Parisino,
allí recibían a sus amigos los domingos por la tarde. Hacían reuniones sociales informales en las que
acostumbraban jugar tenis, baraja, oír música, leer poemas, etc. A pesar de todas estas actividades, Irène anteponía
sus obligaciones para con sus hijos sobre todas las otras; un día Fréderic comentó que el descubrimiento de la
cámara de Wilson le parecía lo más grandioso del mundo, ya que permitía a los investigadores de esa época
observar las trayectorias de las radiaciones emitidas por las fuentes radiactivas. Irène le contestó que ella estaría de
acuerdo con él si no existiera la experiencia de la maternidad. No fue sino después de haber sido galardonados con
el premio Nobel cuando Fréderic Joliot fue nombrado profesor en el Colegio de Francia e Irène profesora de la
Universidad de París.
Mientras Fréderic debía trabajar en nuevos laboratorios, Irène continuaba en el Instituto del Radio. Es en esta época
en la que la colaboración de los esposos se hizo menos estrecha. En 1936 Irène fue nombrada subsecretaria de
Estado de la Investigación Científica. Aceptó este cargo para apoyar la investigación y demostrar la capacidad de la
mujer para desarrollar este tipo de trabajos, y a que desde pequeña se había percatado de que los prejuicios de su
época no permitían que las mujeres ocuparan el lugar que les correspondía en la sociedad. Por ejemplo, su madre
Marie Curie, no logró ingresar a la Academia de Ciencias de Francia, a pesar de haber sido galardonada dos veces
con el premio Nobel.
LOS NEUTRONES, COMO PROYECTlLES PARA EL URANIO Y EL TORIO
En el medio científico existía gran competencia entre los radioquímicos para descubrir nuevos elementos
irradiando, principalmente con neutrones, elementos conocidos como el uranio y el torio, técnica que desde 1934
había utilizado Enrico Fermi para producir isótopos radiactivos (figura III.5).
En 1937 Irène Joliot-Curie en colaboración con Savitch, bombardeaba torio y uranio con neutrones para obtener
elementos más pesados; observó que uno de los elementos obtenidos tenía las propiedades del lantano. Fréderic,
Irène y Savitch discutieron largamente este resultado insólito, trataron de explicarlo como producido por el
rompimiento del elemento irradiado en dos fracciones, pero después de muchas discusiones desecharon esta
hipótesis y publicaron únicamente que habían encontrado un elemento radiactivo que se podía separar junto con el
lantano al usar éste como portador. [Los portadores son elementos químicos que poseen las mismas propiedades
que los átomos radiactivos que se desean separar, por lo que al utilizar lantano el elemento separado debería ser
el mismo, o un elemento con propiedades químicas similares.]
Las controversias y las discusiones que tuvieron los Joliot-Curie con Lise Meitner, excelente radioquímica, y con
Otto Hahn, fueron conocidas por todo el medio científico. En particular Lise Meitner los criticaba porque en
experimentos semejantes obtenían resultados diferentes de los del grupo francés. En 1938 Frederic se encontró con
Otto Hahn en un congreso en Roma y le hizo saber que no creía que las medidas realizadas en Francia estuviesen
bien hechas. Sin embargo, para confirmar sus propios resultados Otto Hahn repitió los experimentos en compañía
de Strassmann, pero en esta ocasión sin la ayuda de Lise, que ya se encontraba refugiada en Suecia. En un
principio, los científicos del grupo de Otto Hahn pensaban que el elemento separado por los Joliot-Curie era radio,
pero se dieron cuenta de que utilizando bario como portador, elemento dos veces más ligero que el uranio,
encontraban que el elemento radiactivo separado no se distinguía químicamente del bario. Verificando la técnica
utilizada por Irène y Savitch, encontraron efectivamente lantano en la mezcla.
LA FISIÓN NUCLEAR
Los experimentos realizados y sus resultados fueron interpretados brillantemente por el grupo dirigido por Otto
Hahn. Concluyeron que el uranio, al ser bombardeado con neutrones, se partía en dos y producía elementos más
ligeros. Habían descubierto algo inconcebible según los conocimientos de esa época: el fenómeno de la fisión, el
rompimiento del núcleo del átomo en fragmentos.
El artículo publicado por el grupo de Otto Hahn el 6 de enero de 1939 llegó a manos de Fréderic unos diez días
después. Resulta fácil imaginar la nueva desilusión de los científicos franceses al saber que la idea que habían
desechado era la respuesta a sus experimentos.
Dejando a un lado todas sus actividades, Fréderic se dedicó de inmediato a investigar el fenómeno recién
descubierto de la fisión nuclear, en el que los neutrones al penetrar en el núcleo del uranio pueden fisionarlo en
partes, formando así isótopos de elementos diferentes al uranio, llamados productos de fisión. En pocos días llegó a
dos conclusiones de primordial importancia: en primer lugar, que cada fisión nuclear debería liberar una cantidad
de energía considerable y, en segundo lugar, que junto con los productos de fisión, tales como el bario o el lantano,
con menos neutrones que el átomo de uranio original debería emitirse uno o varios neutrones en cada fisión. Con el
propósito de comprobar estas hipótesis, Fréderic formó un grupo de trabajo en el Colegio de Francia con Hans
Halban y Low Kowarski para dedicarse íntegramente al estudio de la fisión nuclear. Estos investigadores
supusieron que el conjunto, de neutrones formados en la fisión es análogo a una población humana. Hay numerosos
individuos que nacen, crecen y mueren sin haber tenido descendencia. Consideraron que éste es el caso de los
neutrones que no producen fisión y que sólo son absorbidos por la materia; para que la población de neutrones en el
material fisionable se mantenga constante, cada fisión debe dar origen a más de un descendiente.
Joliot, Halban y Kowarski evaluaron la rapidez de natalidad de los neutrones, es decir, el número de neutrones
emitidos por cada fisión que, consideraron, debería ser entre y cuatro: Ahora sabemos que ese número es más
reducido: en cada fisión se liberan de dos a tres neutrones. Sus resultados mostraron la posibilidad de que los
neutrones generados en la reacción de fisión pudieran producir más fisiones y dar origen a más neutrones y así
sucesivamente, haciendo posible la generación de reacciones en cadena. También señalaron el posible uso de la
fisión para producir energía útil para la vida cotidiana y la industria pero, además, evidenciaron el peligro que
representaba como arma bélica.
Así, el grupo formado por Joliot llegó a una nueva etapa en su trabajo. Después de la verificación del fenómeno de
la fisión, del descubrimiento de la producción de neutrones, de la medición del número de neutrones por fisión,
estudiaron la energía aprovechable producida por las reacciones de fisión nuclear en cadena. En esta nueva etapa, el
grupo del Colegio de Francia competía en una carrera científica en la que participaban los países más poderosos de
esa época, Gran Bretaña, Alemania y, después, Estados Unidos.
LA REACCIÓN EN CADENA
Después de muchos estudios llegaron a la conclusión de que podrían mantener una reacción en cadena de forma
constante utilizando uranio enriquecido en uranio-235 o bien uranio natural (figura III.6). Para hacer funcionar un
reactor nuclear con uranio natural era necesario contar con un material que les permitiera frenar los neutrones
producidos a velocidades bajas, ya que sólo éstos son útiles en la fisión en cadena. Consideraron que el agua pesada
era el material adecuado para moderar la velocidad de estos neutrones. Afortunadamente existía en Noruega una
sociedad industrial que había utilizado agua pesada en sus procesos y todavía le quedaba cierta cantidad; Ya en
plena segunda Guerra Mundial, y debido a la importancia que el agua pesada tenía en la creación de los reactores,
Fréderic logró después de muchas vicisitudes que llegaran muy discretamente a París, el 16 de marzo de 1940, 92
kilogramos de agua pesada; toda la que existía entonces.
Los trabajos en los que estos científicos describieron la fisión como fuente de energía y su posible aplicación bélica
fueron escritos en cinco informes secretos depositados en el Centro Nacional de la Investigación Científica de
Francia (CNRS) entre los años 1939 y 1940.
LAS PERIPECIAS DEL GRUPO FRANCÉS EN LA SEGUNDA GUERRA MUNDIAL
El primero de septiembre de 1939 Alemania había invadido Polonia. Temiendo bombardeos alemanes sobre París,
Frederic e Irene enviaron a sus lujos Pierre y Helène a Arcouest. Durante este periodo los acontecimientos se
sucedieron de manera incoherente y con mucha rapidez. Fréderic recibió órdenes de su gobierno de llevarse todo el
equipo científico posible al sur de Francia, donde se pensaba correría menos peligro de ser capturado por los nazis,
pero no fue sino hasta el 12 de junio de 1940 cuando Fréderic sacó los últimos equipos portátiles de su laboratorio,
quemó los documentos y partió con Irène a Clermont-Ferrand. Sin embargo, pocos días después recibió órdenes de
salir del país llevándose consigo el agua pesada, mientras el instrumental quedaba guardado en Burdeos, capital de
la Tercera República Francesa. Fréderic organizó su partida junto con sus colaboradores Halban y Kowarski. Estos
lograron partir a bordo de un carguero británico que los condujo a Inglaterra, pero ese día el puerto fue
bombardeado y Joliot, al no poder pasar a través de los escombros, se quedó en Francia.
Figura III.6. Reacción en cadena producida en la fisión del uranio-235.
Halban y Kowarski llegaron a Londres el 22 de junio de 1940 y fueron a trabajar al laboratorio Cavendish de
Cambridge. La única información que recibió Joliot durante la guerra fue un mensaje desde Suiza del padre de
Halban en el que le informaba que su hijo había sido bien acogido en su nuevo medio y que trabajaba en excelentes
condiciones. Halban y Kowarski decidieron que sería mejor llevar a cabo su trabajo en Estados Unidos o Canadá,
para evitar interrupciones por la guerra. Así fue como Canadá y la Gran Bretaña llegaron a un acuerdo por el cual
Canadá asumió la responsabilidad del grupo francés del Cavendish. Halban y Kowarski llegaron a Canadá en 1942
y Halban fue nombrado director de investigación.
Durante este periodo la pareja de científicos franceses Joliot-Curie se refugió en una pequeña ciudad de Burdeos.
Fue allí donde, a mediados de julio, Fréderic recibió la noticia de que los oficiales alemanes estaban interesados en
su laboratorio y regresó a París para intercambiar opiniones. El intérprete, en su primera conversación, fue
Wolfgang Gentner, quien había trabajado bajo las órdenes de Joliot en el Instituto del Radio. Después de la
entrevista, Gentner citó secretamente a Frédéric para hacerle saber que los alemanes pensaban llevarse el ciclotrón
a Alemania.
Con esta información y con el propósito de no perder el equipo científico, Joliot decidió llegar a un acuerdo con los
alemanes. Logró un convenio por el cual se le daba el nombramiento de director del laboratorio y se estipulaba que
debía mantenérsele informado de todos los trabajos allí realizados. Además, convenció a los alemanes de que se
debían efectuar solamente investigaciones sobre ciencias básicas, excluyéndose cualquier programa militar.
Cuando Langevin fue arrestado el 30 de octubre de 1940 por sus actividades antinazis, Joliot reunió a los alumnos y
profesores del Colegio de Francia para informarles que no dejaría entrar al Colegio a nadie, francés o alemán, hasta
que su maestro fuera liberado. Fue Gentner quien obtuvo el acuerdo de las autoridades alemanas en París por el
cual Langevin fue liberado y enviado a una residencia vigilada en Troyes. Los eventos de esta época llevaron a
Joliot a unirse al movimiento de la resistencia francesa contra los alemanes.
El 29 de Junio de 1941 Fréderic fue arrestado por la policía y enviado a los alemanes bajo la acusación de ser
comunista. Sin embargo, debido a las relaciones de Gentner fue liberado inmediatamente, a partir de ese momento
estuvo continuamente bajo la protección de Gentner, aun cuando éste no quería tener conocimiento de sus
actividades antinazis. Entre éstas podemos citar la creación, en 1942, de la Sociedad de Estudio de las Aplicaciones
de los Elementos Radiactivos Artificiales (SEDARS), que tenía el propósito oculto de expedir certificados de
trabajo a los jóvenes científicos franceses para evitar que fueran enviados a Alemania. La protección de Gentner
duró hasta fines de 1943, cuando fue llamado a Alemania, ya que la Gestapo empezaba a dudar de su lealtad.
ESFUERZOS PARA LA PAZ
En ese mismo año, el secretario de Estado de la Producción Industrial le pidió a Joliot seguir con los estudios de la
energía nuclear; como Fréderic sabía que estos trabajos podrían servir para fines bélicos y estaba resuelto a no
participar en ellos, lo convenció de que era más importante realizar otros estudios básicos y formar el mayor
número posible de investigadores.
En junio de 1944 muchos laboratorios clandestinos franceses se dedicaron a hacer explosivos, probablemente
coordinados por Fréderic Joliot. Éste, viendo que la situación se agravaba en Francia, envió a su esposa e hijos a
Suiza. Él, por su parte, se quedó en Francia.
Al finalizar la segunda Guerra Mundial el 2 de septiembre de 1945, los partidos políticos trataron de asegurar sus
posiciones para las luchas internas. El partido Comunista puso a la cabeza del Centro Nacional para la
Investigación Científica (CNRS) a Fréderic Joliot y en el momento en que De Gaulle llegó al gobierno como
presidente interino, confirmó el nombramiento. Poco después, Fréderic comenzó a luchar por la fundación de un
organismo para estudiar la energía nuclear y con este propósito se entrevistó con De Gaulle en mayo de 1945, sin
obtener su apoyo. Sin embargo, después de las explosiones de las bombas atómicas estadunidenses en Hiroshima y
Nagasaki fue llamado por el propio De Gaulle, quien le pidió su ayuda para la creación de un organismo dedicado
al estudio de la energía nuclear. Así nació el 18 de octubre de 1945 la CEA (Comisión de Energía Atómica) de
Francia. Fréderic quedó como el jefe de la Comisión e Irène encargada de la división de materias primas y
prospección de uranio.
En 1946, año en que Irène fue nombrada directora del Instituto del Radio, regresaron de Canadá Kowarski,
Goldschmith y otros científicos. El primero de ellos había trabajado en la instalación del primer reactor de agua
pesada y el segundo en la separación de plutonio de los combustibles irradiados. Joliot los recibió emocionado y los
tomó a su servicio en la CEA. Con la ayuda de estos científicos decidió instalar un reactor de agua pesada que se
puso en funcionamiento el 15 de diciembre de 1948. En el otoño de 1949 se sacaron los primeros combustibles
irradiados en el reactor y a fines de noviembre Goldschmith y su grupo obtuvieron los primeros miligramos de
plutonio, elemento que no se encuentra en la naturaleza y que, como el U-235, es material fisionable.
Fue en 1949 cuando, gracias al esfuerzo de Frédéric e Iréne Joliot- Curie, nació el movimiento mundial para la paz.
Fréderic fue su presidente fundador e Irène participó también activamente en este movimiento. En esa época, el
gobierno consideró oportuno desarrollar armas nucleares, pero la posición pacifista de los dos dirigentes más
calificados de la CEA era inquietante; Fréderic e Irène habían declarado en varias ocasiones que jamás
participarían en la fabricación de armas nucleares y esto llevó al presidente del Consejo Francés a retirar en 1950 a
Fréderic de las importantes funciones que desempeñaba en la CEA; meses después tampoco se renovó el contrato
de Irène. La desilusión de los dos científicos y patriotas franceses fue grande; sus actividades se redujeron, para
Irène, a ser directora del Instituto del Radio y profesora de la Universidad de París y para Frédéric a ser director del
Laboratorio y profesor del Colegio de Francia.
FALLEClMIENTO DE LOS DESCUBRIDORES
En 1942 Irène había solicitado un terreno para la construcción de nuevos laboratorios, pero no fue sino hasta 1955
cuando se adquirieron los terrenos de Orsay; desgraciadamente Irène no pudo ver su obra terminada, ya que
después de unas vacaciones en la montaña, a principios de 1956, regresó a París para internarse en el Hospital Curie
y murió de leucemia el 17 de marzo de 1956. El gobierno francés rindió honores nacionales a Irène Joliot-Curie y el
discurso oficial fue una reivindicación pública por las injusticias cometidas en contra de esta gran científica.
Dos años después, el gobierno francés le hacía también magníficos funerales nacionales a Frédéric Joliot-Curie,
quien murió el 14 de agosto de 1958 en su residencia de Arcouest después de terminar la última tarea de Irène, la
construcción de Centro de Física Nuclear de Orsay.
BIBLIOGRAFÍA
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R. Menéndez P., Gran Enciclopedia del Mundo, Editorial Darvín, España, 1978.
S. Fernández-VaIverde, "Transformaciones Nucleares", en Revista Ciencia y Desarrollo, núm. 23, 1978.
S.R. Weart, La grande aventure des atomistes francaises, Editorial Fayard, París, 1980.
S. Bulbulian y M. Jiménez-Reyes, Naturaleza, vol. 10, núm. 3, 1979.
S. Bulbulian y S. Fernández-Valverde, "Frédéric e Irène Joliot-Curie", Revista Ciencia y Desarrollo, núm. 48,
1983.
IV. PROPIEDADES DEL NEUTRÓN TÉRMICO
NURIA SEGOVIA ARIEL TEJERA
EL CONOCIMIENTO de las propiedades de los neutrones térmicos contribuyó en forma sustancial a la producción
de radioisótopos y al desarrollo de la energía nuclear. A este respecto la Escuela de Roma fue una de las que más
participaron en el estudio de la interacción de los neutrones térmicos con la materia, siendo Enrico Fermi su figura
más destacada.
Enrico Fermi nació en Roma, Italia, el 29 de septiembre de 1901 en el seno de una familia perteneciente a la clase
media baja. Su padre era administrador en los ferrocarriles, su madre tenía un firme sentido del deber y la
disciplina, era inteligente y sentía gran devoción por su familia. Inculcó a sus hijos un concepto serio de la vida y el
trabajo. Enrico aprendió a leer y a escribir desde muy pequeño, demostrando una retentiva prodigiosa al memorizar
largos poemas. Asistió a la escuela pública desde los seis años. Era buen alumno, obtenía calificaciones altas y muy
pronto demostró gran capacidad para las matemáticas, pues a los diez años ya comprendía problemas abstractos. A
esa edad dejó la escuela primaria e ingresó al Gimnasio, el equivalente de la escuela secundaria y preparatoria,
donde permaneció cinco años. La presión de trabajo era pesada aun para los alumnos más destacados. Su
expediente académico sigue siendo en esta época excelente, posiblemente era el mejor estudiante de su clase.
Además, debido a sus hábitos de orden y disciplina disponía de mucho tiempo libre que dedicaba, en gran parte, a
sus estudios científicos. En esa época se expresaba con claridad porque su pensamiento era claro, pero aun en sus
primeros artículos de 1927 y en su Introducción a la física atómica no hizo ningún esfuerzo por pulir su estilo
descriptivo, utilizando un idioma plano y descuidado. Posteriormente, sin embargo, se volvió muy escrupuloso con
respecto a usar un lenguaje muy preciso. A los catorce años compró varios libros de matemáticas y uno de física,
titulado Elementos de física matemática de Andre Caraffa, escrito en latín y publicado en 1840.
Cuando Enrico cumple 18 años tiene ya una formación autodidacta en matemáticas y mecánica teórica equivalente
a la que se adquiere en los primeros años de una carrera universitaria. Un amigo de su padre, el ingeniero Adolfo
Amadei, asombrado por la precocidad del joven Enrico, le facilitó, durante cuatro años, libros sobre temas que
comprendían desde trigonometría hasta mecánica teórica y análisis vectorial. Por recomendación de Amadei,
Enrico se presentó a un concurso para ser admitido en la Escuela Normal Superior, dependiente de la Universidad
de Pisa. Ganó el concurso escribiendo sobre el tema "Características del sonido", usando técnicas matemáticas
propias de una disertación doctoral. En la Escuela Normal Superior se fomentaban los estudios avanzados y la
investigación, actividades acordes al talento de Fermi.
En Pisa continúa su aprendizaje, principalmente autodidacta. En poco tiempo sus profesores no tuvieron ya nada
que enseñarle y en su mayoría, tanto éstos como sus condiscípulos, reconocieron su extraordinaria capacidad. En
1921 publicó su primer articuló científico "Sobre la dinámica de un sistema rígido de cargas eléctricas en
movimiento traslacional".
En 1922 presenta el examen de tesis universitario al que tenía derecho como alumno de la Escuela Normal Superior
con el tema "La difracción de rayos X por cristales curvos y las imágenes obtenibles por este método",
habiéndosele concedido el doctorado Magna cum laude. El diploma de la Escuela Normal lo obtuvo con la tesis
titulada "Un teorema sobre la probabilidad y su aplicación en astronomía". En ese mismo año publica un artículo
con el título "Sobre los fenómenos que ocurren en las cercanías de un meridiano terrestre", que confirma los
profundos conocimientos que tenía de la relatividad general.
En 1923 da a luz un ensayo sobre "La masa en la teoría de la relatividad" en el que examina, entre otras cosas, la
posible ubicación de la energía nuclear y la señala como la más espectacular consecuencia de la relatividad.
A finales de 1924 Fermi ocupó un puesto provisional en el laboratorio de física de la Universidad de Florencia,
situado en Arcetri, lugar en el que Galileo pasó los últimos años de su vida. En 1925, junto con el físico Franco
Rasetti, llevo a cabo una investigación de los efectos que tienen los campos magnéticos alternantes en las líneas
espectroscópicas del vapor de mercurio.
Fermi leía ávidamente las revistas de física de circulación internacional, como la Revista de Física Alemana. Se
enteró en este tiempo del descubrimiento del principio de exclusión, realizado por el físico austriaco Wolfang Pauli,
quien pudo explicar cómo se van completando los diferentes niveles atómicos a medida que aumentan los protones
del núcleo. El principio enuncia que dos electrones del mismo átomo no pueden tener la misma energía y los
mismos momentos angulares.
El principio de exclusión resultó tener una aplicación universal para los electrones y para las partículas, como
protones y neutrones, que tienen un momento angular propio. A este momento angular propio o intrínseco se le
llama espín. Pauli se dio cuenta de que aplicando el principio de exclusión a los electrones atómicos sólo podían
acomodarse en cada nivel energético dos electrones con espines en direcciones opuestas. Un electrón adicional en
este átomo tendría que acomodarse en otro nivel energético, con nuevos valores de energía o de momento angular o
de orientación del momento angular y desde luego con su correspondiente espín. Este principio permitió, auxiliado
por las características químicas de los elementos, entender y perfeccionar la tabla de Mendeleyeev.
Desde 1900 se había desarrollado el modelo del gas de electrones para los metales siguiendo el modelo clásico de
los gases ideales. Fermi se había preocupado de este problema y al conocer el principio de exclusión de Pauli lo
aplicó a un nuevo modelo de gas tomando en cuenta el espín, deduciendo una ley de distribución de energías que es
diferente de la clásica.
Fermi publicó su investigación en un artículo denominado "Sobre la cuantificación del gas monoatómico ideal",
fechado en febrero de 1926; este trabajo fue también presentado en una famosa academia científica italiana y más
tarde publicado en la Revista de Física Alemana con gran éxito. Paul André Maurice Dirac, famoso físico inglés,
llegó a las mismas conclusiones que Fermi partiendo de otro punto de vista. El descubrimiento de ambos físicos se
conoce actualmente como la Estadística de Fermi-Dirac y a las partículas descritas se les llama fermiones.
En noviembre de 1926 Fermi ganó el primer lugar en un concurso que le permitió asumir una cátedra con carácter
vitalicio en la Universidad de Roma.
LA ESCUELA DE ROMA
Uno de los fenómenos nucleares que atraían el interés de los físicos en ese tiempo era la emisión de electrones por
algunos núcleos radiactivos. En particular, a los electrones de origen nuclear se les conocía desde principios del
siglo con el nombre de partículas beta. Mientras se supuso que el núcleo estaba integrado por protones y electrones
no pareció raro que se pudieran emitir estos últimos si el núcleo tenía un exceso de energía. Lo que llevó tiempo
explicar fue que los electrones, en promedio, acarrean sólo la mitad de la energía que pierde el núcleo. Con el fin de
mantener incólume el principio de la conservación de la energía, el físico Pauli inventó una partícula a la que Fermi
bautizó con el nombre de neutrino. Esta es muy difícil de detectar, pero es capaz de llevarse la energía que le falte a
un electrón emitido en una desintegración para completar la energía, característica que pierde el núcleo.
Surgió una nueva dificultad conceptual cuando se llegó a la conclusión de que las partículas que forman un núcleo
son los protones y los electrones dados a conocer estos últimos por Chadwick en 1932. Durante su estancia en
Roma, Fermi obtuvo una excelente preparación en las nuevas teorías físicas nucleares y en sus complicados
métodos matemáticos. Con el auxilio de las nuevas concepciones hizo una investigación cuyos resultados se
publicaron en la Revista de Física Alemana con el título de "Búsqueda de una teoría de los rayos beta", en 1934. Se
trata de una teoría que describe cuantitativamente la emisión de electrones y neutrinos por el núcleo, "como un caso
análogo", dice el mismo Fermi, "al de la emisión de fotones por el átomo". La teoría de Fermi permite calcular
teóricamente por primera vez cuánto tiempo se espera que pase para que un material emisor de electrones tarde en
ir convirtiendo por decaimiento sus neutrones en protones, emitiendo betas y neutrinos (figura IV.1). Además
permite también calcular cómo se va a distribuir la energía que cede el núcleo entre las dos partículas.
Figura IV.1 (a) en el decaimiento b+ un protón del núcleo se transforma en neutrón, emitiendo un electrón
positivo (b+) y un neutrino n. (b) En el decaimiento b- un neutrón del núcleo se transforma en protón,
emitiendo un electrón negativo (b-) y un antineutrino v .
En la Universidad de Roma existía un grupo de eminentes matemáticos considerablemente mayores que Fermi; sin
embargo, el intercambio de ideas y la cooperación intelectual eran difíciles.
Desde sus años de Pisa, Fermi había luchado por introducir la física moderna en Italia. Para ello dio varios pasos, el
primero publicar artículos sobre física moderna para un amplio sector del público, incluyendo maestros de
enseñanza media. El segundo fue escribir un libro de texto sobre física atómica y el tercero seleccionar y preparar
físicos jóvenes. Esto último, que era lo más importante, resultó ser lo más difícil. En efecto, el número de
estudiantes de física en las universidades italianas era reducidísimo, ya que la física se enseñaba como materia
complementaria a los ingenieros, químicos, médicos, etc. De las dos grandes innovaciones de esa época en física, la
teoría de la relatividad y la mecánica cuántica, sólo Fermi y el destacado físico Enrico Persico estaban
familiarizados con ellas.
Cuando Fermi llegó, a Roma, intentó transformar el Instituto de Física en una institución de primera categoría que
pudiera equipararse con las mejores del mundo. Una de las primeras tareas fue la de fortalecer la física
experimental, lo cual resultó más difícil que, consolidar la física teórica debido a que requería apoyo técnico y
financiero mucho mayor. Era manifiesta y urgente la necesidad en Roma de un físico experimental joven y activo,
eligiéndose para esto a Franco Rasetti, quien llegó de Florencia a principios de 1927. Rasetti, en pocos años, logró
reputación internacional por sus trabajos acerca del efecto Raman y monto un laboratorio de espectroscopía. Emilio
Segré, Giovanni Enriques y Ettore Majorana se unieron en 1927 al grupo, pero era evidente que en términos
científicos Fermi era la voz italiana más autorizada en física moderna. Fermi organizó un seminario con los jóvenes
estudiantes donde se tocaban temas del interés de los integrantes. Segré afirmó que en esa época jamás tuvieron un
curso regular.
Si le preguntábamos a Fermi sobre toda un área que ignorábamos él se limitaba a recomendarnos un buen
libro sobre el tema. Sin embargo, si le preguntábamos sobre un tema específico, Fermi improvisaba una
hermosa conferencia sobre la teoría. Uno recibía la, impresión de que había estado estudiando por mucho
tiempo y que había preparado cuidadosamente la conferencia. De esta manera se cubrían muchos temas en un
nivel equivalente a los primeros cursos de posgrado de una universidad norteamericana.
Fermi, que por aquel tiempo trabajaba sobre todo en cuestiones teóricas, también se interesaba en los trabajos
experimentales en el laboratorio de Rasetti. Este ejerció una influencia enorme sobre Fermi y el grupo en su
conjunto.
La sede de toda esta actividad era el viejo laboratorio de física de la Universidad de Roma. Este edificio estaba
perfectamente adecuado para el tipo de trabajo científico que se desarrollaba en los años veinte. El equipo era
aceptable, sobre todo en materia de espectroscopía óptica, e incluía algunos aparatos auxiliares de buena calidad. El
taller era anticuado, pero la biblioteca excelente.
El conocimiento y los intereses de Fermi abarcaban toda la física. Prefería los problemas concretos y desconfiaba
de teorías demasiado abstractas o generales; en cambio, cualquier problema concreto en cualquier área de la física
lo fascinaba y constituía un reto para su ingenio. Un ejemplo notable de esta forma de proceder lo constituye su
teoría cuántica de la radiación. Fermi, había leído los artículos de Dirac y comprendió los resultados que obtuvo.
Sin embargo, el método empleado por Dirac era desconocido para Fermi por lo que decidió reformular la teoría de
un modo que le fuera más familiar en términos matemáticos.
LOS NEUTRONES TÉRMICOS
Con el descubrimiento del neutrón por Chadwick en 1932, se abrió la posibilidad de bombardear los núcleos con un
proyectil de muy intensa acción nuclear sin que fuera rechazado por las cargas eléctricas nucleares.
La técnica para construir una fuente de neutrones empleada por Enrico Fermi fue encerrar, en un tubo de vidrio
hermético, polvo de berilio en una atmósfera de radón (figura IV.2). Esta fuente emitía 1 000 000 de neutrones por
segundo, cuyas energías individuales estaban repartidas desde cero hasta unos 8 000 000 de electrón-voltios. Las
fuentes actuales de neutrones se fabrican usualmente de berilio mezclado con radio, americio o plutonio, o bien,
son de californio. En el laboratorio de Roma, Fermi y sus colaboradores sometieron al bombardeo con neutrones no
solamente a los elementos ligeros que se habían logrado transmutar ya con las partículas cargadas, como protones,
de neutrones y partículas alfa, impulsadas en los primeros aceleradores de partículas, sino que también fue posible
transmutar elementos más pesados. De hecho, para 1938 habían sometido al flujo de neutrones la mayor parte de
los elementos conocidos. En estos experimentos se había descubierto que para un buen número de elementos el
bombardeo producía el isótopo de número atómico inmediato superior al elemento bombardeado, es decir, que
algunos elementos capturaban un neutrón incidente, convirtiéndose en un radioisótopo del mismo elemento y este
era, por lo general, emisor de partículas beta negativas. En 1934 Fermi descubrió que frenando los neutrones a
través de una placa de parafina aumentaba hasta cientos de veces su poder de activación, tomo en el caso de la plata
(plata natural-109), que al absorbe un neutrón se transmuta en el isótopo radiactivo plata-110 que decae, emitiendo
betas negativas, en cadmio-110 (figura IV) Este mismo tipo de reacción se había observado también en los isótopos
vanadio-51, manganeso-55, cobre-63, arsénico-75, bromo-79, yodo-127, iridio-191 y 193, oro-197, etc. Fermi
había descubierto la efectividad de estos neutrones, que se denominaron térmicos.
Figura IV.2. dibujo esquemático de una fuente de una fuente de neutrones de radón-222 y berilio-9. La
reacción es: Berilio-9 + α → carbono - 12 + energía.
Figura IV.3. Transmutación de un isótopo de plata, por obsorción de un neutrón térmico, en un isótopo de
cadmio. La reacción es: Plata - 109 + n → plata - 110 → cadmio - 110 + β-
A medida que los investigadores sometían elementos cada vez de mayor número atómico al flujo de neutrones se
preguntaban: ¿Qué pasaría cuando llegaran al más pesado, al uranio? La respuesta esperada era la producción de
elementos transuránicos, con número de masa mayor que los 238 nucleones del uranio y con más protones que los
92 de este elemento. Si esto llegara a suceder con el uranio, sería de esperarse la formación del isótopo 239 del
uranio, que por desintegración beta generaría un nuevo elemento, con 93 protones y quizás, si este nuevo elemento
no resultara estable, se podría esperar que a través de sucesivo decaimientos beta se obtuvieran elementos
transuránicos de número atómico mayor que el 93. En junio de 1934 Fermi publicó en Nature un artículo sobre sus
investigaciones en la Universidad de Roma con el título "La posible producción de elementos de número atómico
mayor a 92". Entre otros comentarios importantes hace notar que de 68 elementos bombardeados con neutrones
había logrado activar 47, de estos elementos, en el caso del aluminio, cloro y cobalto, el radioisótopo formado por
bombardeo resultó ser el de un número Z-2. En el caso del fósforo, azufre, hierro y cinc, el número atómico del
elemento formado fue Z-1. En los casos del bromo, el yodo y la plata, el producto fue un isótopo del elemento
bombardeado. En algunos casos se alcanzó un estado estable mediante la transformación de un neutrón del núcleo
bombardeado en un protón, y la expulsión de un electrón negativo, pasando el elemento de Z a Z+1 (figura IV.4).
Figura IV.4. tipos de reacciones nucleares que dan lugar a la radiactividad artificial. Z es el número atómico
correspondiente al número de protones del núcleo original de masa M.
En los casos en que se bombardeó con neutrones al uranio y al torio, se descubrió que se activaban muy
intensamente dando lugar a una serie compleja de radioisótopos. En el caso del uranio bombardeado se detectaron
emisiones beta con vida media de 10s, 40s, 13 m, y por lo menos dos emisores beta adicionales con vida media
comprendida entre 40 minutos y un día. Las investigaciones de Fermi y sus colaboradores para identificar el
producto de 13 minutos eliminaron a posibles isótopos adyacentes. La conclusión de Fermi fue que posiblemente se
había formado el elemento 93, y sugirió la posibilidad de que también podían estar involucrados los elementos 94 y
95. El esfuerzo de los investigadores de este acertijo se orientó hacia la separación e identificación irrebatible de los
transuránicos y entraron en competencia el grupo de Joliot-Curie en Francia, el de Hahn en Alemania y el de Fermi
en Italia.
Durante cuatro largos años se mantuvo la hipótesis de los transuránicos, publicándose docenas de artículos sobre el
tema, incluso un trabajo de la señora Ida Noddack, quien consideró débil la conclusión de Fermi de que se había
formado un elemento transuránico, ya que antes de llegar a esta conclusión extrema se tenían que eliminar primero
todos los elementos de la tabla periódica, pensando que el uranio hubiera podido estallar de alguna manera y formar
otros elementos más ligeros. Esta aguda observación, que de haberse examinado con cuidado habría aliviado el
penoso y frustrante trabajo de cuatro años, no fue considerada en su justo valor porque era contraria a los conceptos
de estabilidad nuclear de aquella época.
En el año de 1938 Fermi recibió el premio Nobel por sus trabajos con neutrones térmicos y, debido a la situación
política que se presentaba en Europa y a que su mujer era de origen judío, ya no volvió a Roma después de la visita
a Estocolmo y viajó a Estados Unidos. Mientras Fermi huía de Europa, el grupo de los alemanes trabajaba y
descubría la fisión nuclear.
La noticia de la fisión nuclear propuesta por Lise Meitner y Otto Hahn (véase el capítulo V) la recibió Niels Bohr
de boca de Otto Frisch en los primeros días de enero de 1939, cuando abandonaba Copenhague en viaje a Estados
Unidos. Pronto se dio cuenta de que había que añadir un producto de reacción nuclear más en la lista de posibles
decaimientos nucleares, y de que al lado de la emisión de partículas alfa o gamma hay un lugar natural para la
fisión nuclear.
Hacia fines de 1939 era evidente que la enorme energía producida en la fisión nuclear podía aprovecharse en una
reacción en cadena gracias a los neutrones liberados en estos eventos y así se hizo público en el ambiente científico
europeo.
LA CARRERA MÁS TRÁGICA DEL SIGLO
En 1936, dos años antes de descubrirse la fisión, la opinión muy autorizada de E. Rutherford fue que no había
ninguna posibilidad de producir energía nuclear que pudiera ser de utilidad; pero no todos los físicos se adherían a
este punto de vista e inmediatamente después de que el grupo de Berlín anunció la fisión y ésta fue confirmada
experimentalmente por Otto Frisch en febrero de 1939, se dieron cuenta de que la tan largamente esperada
posibilidad había llegado. La conclusión del profesor Frisch fue confirmada en varios laboratorios de Estados
Unidos, entre otros, por los de las Universidades de Columbia y de California, antes de que terminara el mes de
febrero.
Muchos científicos que sintieron amenazada su libertad e incluso su vida abandonaron Europa y algunos se
refugiaron en Estados Unidos. Entre éstos, Enrico Fermi encontró acomodo en la Universidad de Columbia y
Albert Einstein en la de Princeton.
Como aún no había caído el telón del secreto sobre la energía nuclear, en la reunión de primavera de la Sociedad de
Física Norteamericana, en abril de 1939, se discutió abiertamente la fisión del uranio-235 eslabonado a una
reacción en cadena mantenida con los mismos neutrones producidos al fisionarse. Niels Bohr dijo que bastaba
bombardear con neutrones térmicos una pequeña cantidad de uranio-235 para producir una explosión nuclear lo
suficientemente potente como para volar el laboratorio y todo lo que estaba a su alrededor.
Los trabajos científicos sobre la fisión nuclear abrían la puerta para la producción de neutrones unidos a este
fenómeno. En los meses inmediatamente posteriores al artículo aparecido en una revista alemana de ciencias de la
naturaleza (1939) en la que Hahn y Strassmann dieron a conocer la fisión, quedaron establecidas las bases teóricas
y experimentales que llevarían en los años siguientes a la construcción del primer reactor nuclear.
La idea básica para la reacción en cadena fue aislar en bloques diferentes el uranio y el material moderador
destinado a frenar los neutrones rápidos que se produjeran por la fisión, de manera que estos neutrones por
colisiones sucesivas perdieran energía, volviéndose térmicos, y pudieran así emerger del moderador para incidir a
su vez en los bloques de uranio produciendo, algunos de ellos, nuevas fisiones. Éstas, a su vez, producirían nuevos
grupos de neutrones rápidos que seguirían el mismo proceso anterior, manteniendo la reacción. El uranio que se
utilizó fue principalmente uranio metálico y sus óxidos. El uranio natural es una mezcla de los isótopos 238, 234 y
235 en tina proporción del 99.276%, 0.7196% y 0.0057% respectivamente. El uranio-238 es útil para la producción
de plutonio-239; el uranio-235 es altamente fisionable por neutrones termalizados y en la práctica no se toma en
cuenta el uranio-234 por su baja proporción. En un material moderador los neutrones rápidos provenientes de la
fisión pierden energía por colisiones sucesivas. Son buenos moderadores aquellos que absorben un mínimo de
neutrones. Ejemplo de éstos son el berilio, el deuterio (usado como agua pesada), el grafito y, en mucha menor
medida, la parafina. En cambio, el cadmio y el boro son poderosos absorbedores de los neutrones térmicos, y en
menor proporción el hidrógeno, usado frecuentemente como agua natural.
Durante 1941, en la Universidad de California se produjeron neutrones bombardeando un blanco de berilio con un
haz de deuterones y fueron termalizados al pasar por un bloque de parafina al que se había incorporado 1.2 kg de
nitrato de uranio. Se produjo, por reacción nuclear; neptunio-239, el que por decaimiento radiactivo beta produce
plutonio-239. El plutonio-239 es un emisor de partículas alfa y tiene una vida media de 24 360 años; el neptunio239 decae por varios grupos de partículas beta con una vida media de 2.35 días. Debido a esto una muestra de
neptunio-239 al cabo de un mes se ha convertido casi toda en plutonio (figura IV.4).
Después de dos días de bombardeo se produjo medio microgramo de neptunio, que al decaer en plutonio se sujetó a
la prueba de fisión soteniéndolo a un flujo de neutrones térmicos. El resultado fue sorprendente, el plutonio-239 era
50% más fisionable que el mismo uranio-235. Esto sucedió el 28 de marzo de 1941.
Debido al secreto voluntario que se impusieron los investigadores del grupo de la Universidad de California, este
descubrimiento no se hizo público sino hasta después de que terminó la segunda Guerra Mundial.
Aquellos neutrones que fueran capturados dentro del uranio pasarían a convertir el uranio-238 en valioso plutonio.
Este descubrimiento abrió la posibilidad de producir un segundo explosivo nuclear en el combustible mismo de un
reactor. El diseño del reactor tendría que ser tal que se pudiera mantener la reacción en cadena al mismo tiempo que
se produjera la máxima cantidad de plutonio. Se veía bien claro que el éxito iba a depender de la pureza de los
materiales y del buen diseño.
Los primeros cálculos mostraron que el aprovechamiento y la producción de los neutrones dependía del volumen
del reactor y que una de las pérdidas importantes se iba a deber a la superficie de éste; por lo que existe un volumen
crítico de uranio y moderador por debajo del cual no hay reacción en cadena.
Los cálculos y la experiencia pusieron un límite inferior de varias toneladas de uranio y moderador, lo que creó un
problema técnico de muy difícil solución, porque en aquella época la producción de uranio de la pureza necesaria
era prácticamente nula comparada con las cantidades requeridas. Como moderadores se ensayaron en un principio
el grafito y el berilio; más tarde se dispuso de agua pesada en cantidad suficiente como para ensayar un reactor
prototipo. La decisión en este tiempo recayó sobre el grafito y éste fue el moderador que se usó por varios años.
LOS BLOQUES SUBCRÍTICOS
Las tres instituciones de los EUA más activas en el problema de la fisión en esta época eran las Universidades de
California, Columbia y Princeton. Antes de que terminara 1941 se habían construido en la Universidad de
Columbia bloques de grafito en los que se introducían fuentes de neutrones, con el fin de determinar en qué forma
descendía su energía. Más adelante se incluyó uranio en el bloque con el fin de determinar el número de neutrón es
que se producían en la fisión. Uno de estos bloques experimentados en julio de 1941 consistió en un cubo de grafito
de unos dos metros y medio de lado, que contenía 2 toneladas de óxido de uranio. Con él, Fermi y sus
colaboradores intentaron determinar el factor de reproducción de los neutrones debido a la Fisión. Si este factor era
menor a la unidad indicaba que el número de neutrones perdidos era mayor que el de los producidos por la fisión, y
si era mayor a la unidad era la señal esperada de que el número de neutrones que se producían en la fisión quedaba
por encima de los que se perdían por impurezas en el grafito, captura en el uranio-238 o fuga por las paredes y, por
lo tanto, podían producir la reacción, en cadena. A pesar de que era obvio que estos bloques de grafito eran
demasiado pequeños para sustentar dicha reacción servirían indudablemente para calcular el tamaño crítico de un
reactor y también para ensayar la pureza de los materiales nucleares.
Al finalizar 1941 los experimentos efectuados con los bloques permitieron concluir que los materiales aún no eran
de suficiente calidad y por esta razón no se pudo determinar con precisión el diseño óptimo del reactor crítico, es
decir, aquel que mantiene la reacción en cadena.
Tras el ataque a Pearl Harbor, el 7 de diciembre de 1941, los Estados Unidos entraron a la segunda Guerra Mundial.
El 13 de agosto de 1942, el ejército de Estados Unidos decidió tomar parte en el desarrollo de un explosivo nuclear
y se creó el Proyecto Manhattan (Manhattan Engineer District) con la meta de producir energía nuclear con fines
militares antes que Alemania.
LA PILA
Para julio de 1942, la industria había aumentado significativamente la producción de uranio de calidad nuclear,
logrando obtener toneladas de material, y se había mejorado el grafito, obteniéndose un producto que absorbía
200% menos neutrones que el mejor producto fabricado antes.
Los esfuerzos separados de la Universidad de Columbia, con Fermi y la Universidad de Princeton, con E. Wigner,
se unieron en la Universidad de Chicago con el nombre de Laboratorio de Metalurgia, nombre que sirvió para
encubrir el de Proyecto Plutonio. Este laboratorio fue dirigido por el premio Nobel A. H. Compton. En este
laboratorio, después de varias pruebas, se lograron ensayar los nuevos materiales. Los datos obtenidos indicaron
que los materiales y el diseño eran lo suficientemente buenos como para iniciar la construcción de un reactor
nuclear.
Para el 7 de noviembre de 1942 se habían acumulado aproximadamente ocho toneladas de uranio natural muy puro,
en uno de los salones para jugar frontenis del estadio Stagg Field de la Universidad de Chicago. Además se tenían
varias toneladas de óxido de uranio y de grafito, cortado este último material en bloques de unos cuarenta
centímetros por lado. El acto de apilar los bloques de grafito originó el nombre de pila para este primer reactor;
nombre que no sugería nada de lo que estaba pasando en los sótanos del estadio.
Presionados más por la disponibilidad del material que por el diseño óptimo del reactor, se decidió apilar los
bloques de grafito en una configuración esférica sostenida por una estructura de madera. El uranio se intercalaba
entre los bloques de grafito hasta formar un cubo.
Por recomendación del profesor Compton, la pila iba a quedar encerrada herméticamente dentro de la cubierta
cúbica de un globo aerostático, con el objeto de hacer el vacío en ella y disminuir la captura de neutrones por el
nitrógeno del aire, condición supuesta para alcanzar el punto crítico.
A fin de controlar el número de neutrones que se produciría en la pila se dispuso de un buen número de detectores
de neutrones y se insertaron barras de cadmio y de acero boratado capaces de absorber los neutrones producidos
por la fisión y evitar que la pila quedara fuera de control. Durante el mes de noviembre se procedió a colocar capas
de grafito y de uranio procurando que entre los lingotes de uranio se intercalaran unos cuarenta centímetros de
grafito. El uranio metálico ocupó el centro de la pila y el óxido de uranio sirvió para completar el cubo.
El primero de diciembre se terminó la undécima capa y la esfera alcanzó tres cuartas partes del volumen total. Ya
entrada la noche, al iniciarse la colocación de la undécima capa, alguien creyó oír que los marcadores acústicos de
neutrones indicaban un ascenso y el encargado en turno, el doctor Zinn, se dio cuenta de que se estaban acercando
al punto crítico antes de que se llegara a terminar la esfera. Al día siguiente, el 2 de diciembre de 1942, ante la
presencia de los doctores Fermi, Szilard, Anderson, Weil, Compton, Winger y otros más, una vez terminada de
colocar la duodécima capa de grafito y uranio y de asegurarse de que los sistemas de control funcionaban
satisfactoriamente, se procedió a extraer todas las barras de control menos una, de cadmio, que se utilizó como
control fino. Ésta era la primera vez que se manipulaba un reactor nuclear y nadie sabía a ciencia cierta qué iría a
pasar. Desde luego, no se esperaba una explosión nuclear si el reactor quedaba fuera de control, por lo menos no de
la envergadura de una bomba. Quizás, si algo iba mal, el reactor se calentaría demasiado y los gases calientes
arrastrarían vapores de uranio contaminando un área grande. Con el fin de aumentar las medidas de seguridad, dos
jóvenes estudiantes se ofrecieron como voluntarios para vigilar el reactor desde una plataforma, durante el acto de
llevarlo al punto crítico teniendo cada uno en las manos una cubeta con una solución concentrada de sales de
cadmio, y estuvieron alertas para sofocar cualquier aumento inesperado en la actividad.
Figura IV.5. Producción de plutonio-239 a partir del bombardeo de uranio-238 con neutrones. El uranio-239
decae a neptunio-239 emitiendo betas negativas con una vida media de 23.5 minutos. El neptunio-239 decae a
plutonio-239 emitiendo betas negativas con una vida media de 2.34 días.
Después del refrigerio, los científicos se reunieron en el improvisado laboratorio del reactor y con todas las otras
barras de control fuera, se procedió a sacar la última muy lentamente, durando esta operación dos horas. El número
de neutrones contados fue aumentando a medida que esta última barra se extraía de la pila, y cada vez el aumento
en el número de neutrones era mayor al anterior. Para las tres y media de la tarde el aumento era tan grande que no
quedó ninguna duda de que el reactor había alcanzado su punto crítico. Por primera vez el fuego de la fisión había
ardido sobre la Tierra. Todas las barras fueron introducidas de nuevo en la pila y la última capa, la decimotercera
completó el primer reactor nuclear.
¿En que etapa irían los alemanes? ¿Ya estaría funcionando su reactor? Era indiscutible que dada la calidad de los
técnicos y científicos alemanes, y disponiendo de una industria de primera calidad, podrían haber contado desde
varios años atrás con el apoyo económico suficiente para llevar una gran delantera a los aliados. Se sabía que en el
Instituto Wilhelm Kaiser se habían reunido doscientos científicos bajo la dirección del profesor Weizsaecker, uno
de los descubridores de las reacciones nucleares en las estrellas. En mayo de 1940, Noruega fue ocupada por tropas
alemanas que se adueñaron de la planta, productora de agua pesada de Vemork, exigiendo que aumentara la
producción a 1.5 toneladas anuales en 1940 y a tres toneladas anuales en 1942. El 28 de febrero de 1943 un grupo
de comandos aliados atacó con éxito la planta y destruyó la sección de alta concentración resguardada en los
sótanos de la planta, derramando una considerable cantidad de agua pesada. El 13 de noviembre, un grupo de
bombarderos de Estados Unidos atacó la planta hidroeléctrica y la de electrólisis, perdiendo los alemanes parte de
las instalaciones, por lo que decidieron trasladar el equipo restante a Alemania. Los aliados hundieron en febrero de
1944 el ferry noruego en que se transbordaban varias toneladas de agua pesada hacia los laboratorios alemanes,
cantidad que hubiera servido para intentar seriamente la construcción de un reactor nuclear crítico.
A partir de 1942 los grupos ingleses que estaban investigando y diseñando, en las diversas etapas de los reactores,
la separación gaseosa del uranio-235 y el ensamble del explosivo nuclear, se trasladaron a Canadá y a Estados
Unidos, contribuyendo al esfuerzo militar norteamericano.
LOS ÚLTIMOS AÑOS DE FERMI
En 1953 Fermi (figura IV.6) efectuó su último experimento sobre la dispersión pion-neutrón y en el verano de ese
año analizó los datos en Los Álamos. En 1953 y 1954 escribió algunos artículos teóricos sobre el origen de los
rayos cósmicos, la producción múltiple de piones y sobre la aplicación de las computadoras en un experimento
teórico sobre las soluciones de los problemas de vibración no lineal. Se inician en Rochester, Berkeley y Chicago
experimentos acerca de la polarización de protones en dispersión de alta energía. Fermi estaba interesado en ver si
el acoplamiento de órbitas y espín podía ser responsable de la polarización de la dispersión de alta energía. El
borrador de su último artículo fue sobre la "Polarización de protones de alta energía dispersados por núcleos".
Fermi murió el 29 de noviembre de 1954, a los cincuenta y tres años, en Chicago.
Sus logros más importantes fueron: el descubrimiento de la estadística que lleva su nombre, la teoría de los rayos
beta y el trabajo experimental sobre los neutrones.
La estadística de Fermi-Dirac, descubierta independientemente por Dirac fue la clave para establecer la teoría de
los metales y los modelos estadísticos del átomo y del núcleo, aunque el principio de Pauli es el concepto
fundamental en ese campo.
La importancia de la teoría de los rayos beta ejerció una notable influencia en el estudio de las partículas
elementales. Ésta fue la contribución más importante que hizo Fermi en el campo de la física teórica.
El trabajo sobre los neutrones fue fundamental por el descubrimiento de los neutrones térmicos, y a partir de él se
logró realizar la reacción en cadena, que dio lugar al control de la energía nuclear.
Fermi se dedicó por entero a la ciencia. Fue un individuo que llegó a las más altas cumbres tanto en lo teórico como
en lo experimental y que dominaba toda la física.
La influencia de Fermi en la física italiana fue enorme. Al introducir la física teórica en la formación académica
inició un movimiento que en poco tiempo sacó a Italia del atraso en que se encontraba, para colocarla en una
situación de prestigio en el campo de la física. La importancia de Fermi en Estados Unidos también es notable,
aunque en menor grado. Sin embargo, uno de los laboratorios más importantes y reconocidos actualmente es el
Fermi Lab de Los Álamos.
Figura IV.6. Enrico Fermi en la década de los años cuarenta. Dibujo de Ariel Tejera y Olaf Rivera.
REFERENCIAS
G. Hermann, Five Decades Ago: From the "Transuranies" to Nuclear Fision. Angem. Chema. Int., Ed. Engl., 29
481-508, 1990.
Segre, E. Fermi, CONACYT, 1987.
H. W. Smith, Atomic Energy for Military Purposes, Princeton University Press. 1948.
V. LA FISIÓN NUCLEAR: OTTO HAHN Y LA ESCUELA ALEMANA
PEDRO-BOSCH GIRAL
INTRODUCCIÓN
"Hoy que vamos de picada añoramos el momento cuando íbamos en ascenso", le hace decir Carlos Fuentes al
narrador de El prisionero de Las Lomas.¡Cuántas veces, cada uno de nosotros se ha lamentado del mismo modo! Y
sin embargo, nuestra crisis resulta menor si se la compara con los acontecimientos que se produjeron en Alemania
durante la vida de Otto Hahn. Por eso, en más de un aspecto, para los que nos ha tocado vivir en "tiempo de
austeridad", la vida de Otto Hahn es ejemplar.
Hahn nació el 8 de marzo de 1879 en Francfort del Main y murió el 28 de julio de 1968 en Gotinga, Alemania. O
sea que en su juventud disfrutó la prosperidad alemana de la posguerra del conflicto franco-prusiano, pero a los 35
años tuvo que enfrentarse con la primera Guerra Mundial y a los sesenta con la segunda.
Hahn vivió cambios sociales y políticos tan radicales como los que simultáneamente se produjeron en el campo de
la física y de la química. Comprobó cómo de la mecánica newtoniana hubo que pasar a la relativista y, en el campo
de la radiactividad, supo del descubrimiento del radio en 1896 por Henri Becquerel (1852-1908, premio Nobel de
física en 1903) y del uso rutinario de las centrales nucleares en los sesentas.
EL AVENTURERO
Otto Hahn "quemó las naves" en más de una ocasión para lanzarse a lo desconocido. Y tenía a quién parecerse: su
padre, de origen campesino, que pudo haber seguido la tradición agrícola de la familia, prefirió hacerse vidriero
comprando su propia tienda y estableciéndose en Francfort. Su promoción de artesano a hombre de negocios
coincidió con la bonanza que se produjo en Alemania después de la Guerra Franco-Prusiana (1870-1871). Los
Hahn se convirtieron, entonces, en una respetable familia de la clase media que insistía en vivir austeramente. Sin
embargo, esta prosperidad económica se veía nublada por la mala salud del pequeño Otto, que le duró hasta los
catorce años.
En el colegio; y durante el bachillerato, Otto Hahn fue un estudiante común y corriente a quien le interesaba la
química. Esta vocación se confirmó cuando asistió a una serie de conferencias para adultos sobre el tema. Igual que
su padre, no quiso seguir los caminos trillados: Otto se enfrentó a los deseos familiares, que querían verlo
arquitecto, e ingresó a la Universidad de Marburgo en 1897 en la carrera de química. Su vida de estudiante
transcurrió más en las cervecerías que frente al profesor de matemáticas o de física, según él mismo lo relata. Se
dice que de aquel entonces le vino el gusto por el tabaco. A menudo se "iba de pinta" para asistir a conferencias de
arte o de filosofía, y, desde luego, los encuentros románticos no faltaron.
Así y todo, en 1901 obtuvo el doctorado y después de pasar un año en la infantería volvió a Marburgo. Hahn
consiguió entonces empleo de asistente de su profesor principal, Theodor Zincke. No está por demás subrayar que
estos empleos eran muy disputados ya que se les consideraba trampolín obligado para ingresar a la industria. En
efecto, la recomendación de un profesor determinaba la obtención de una plaza en las compañías químicas
alemanas que, en aquella época, eran las más poderosas y avanzadas. A Hahn le ofrecieron un contrato que requería
del dominio de un idioma extranjero. Por eso, con su propio dinero, se fue a Inglaterra en septiembre de 1904.
Como Zincke no quería que permaneciese inactivo, le consiguió un lugar en Londres, en el University College con
sir William Ramsay (1852-1916, premio Nobel de química en 1904), famoso por haber descubierto varios gases
inertes.
UN HOMBRE CON SUERTE
Ramsay, en esa época, se interesaba en la radiactividad y contaba con la colaboración de Frederick Soddy (18521916, premio Nobel de química en 1904) que había trabajado con E. Rutherford. Sin embargo, como sucede
frecuentemente, a Ramsay le faltaban ayudantes. Sin pensarlo dos veces le extendió a su joven visitante unos 100
gramos de bario para que de ellos extrajera los pocos miligramos de radio que contenían. El método a seguir era el
de Marie Curie. Desde luego Hahn, que era químico orgánico, le explicó que desconocía el tema. Ramsay replicó
que tendría entonces la ventaja de abordarlo sin ideas preconcebidas y que, además, preparando un compuesto
orgánico (lo cual alimentaría notablemente la cantidad total de material estudiado) podría calcular el peso atómico a
partir de los pesos moleculares. Así intentarían confirmar la determinación de Curie. El método inicialmente usado
por los Curie para separar elementos radiactivos y determinar sus propiedades químicas consistía en poner en
solución la sustancia radiactiva con otros cuerpos y usar varios agentes precipitadores. Se probaba, entonces, si el
precipitado o la solución o ambos eran radiactivos. Suponiendo que ambos lo fuesen, se trataba entonces cada parte
de un modo análogo, y se repetía el proceso hasta que una parte de los productos no fuese radiactiva y la otra parte
presentara un decaimiento exponencial con la vida media característica. Los Curie aislaron así el radio (1898) a
partir de la pechblenda mineral.
En el juego como en el amor, se habla de "la suerte de los principiantes" y de los "bandazos de la fortuna". En la
vida de Hahn el primer bandazo fue aceptar llevar a cabo esa extracción, cambiándose de la química orgánica a la
radiactividad, y la suerte de principiante fue la de enfrentarse con un material que contenía un alto porcentaje de
torio además del uranio. Otto Hahn siguió la técnica de separación al pie de la letra y descubrió un nuevo
radioelemento: el radiotorio, que de hecho era un isótopo del torio, pero en aquel entonces la existencia de los
isótopos de los elementos todavía no se conocía.
Isótopos
A principios del siglo pasado Prout (1785-1850) propuso que todos los
átomos, en última instancia, estaban constituidos por átomos de
hidrógeno. Esta hipótesis cayó en el olvido ya que el peso atómico de
todos los elementos debería ser un número entero de veces el del
hifrógeno. Sin embargo, eso no sucede. Un ejemplo contundente es el del
cloro, cuyo peso atómico, si el del hidrógeno es 1, es de 35.5. Debido a
los fenómenos observados al estudiar la radiactividad, hubo que concluir
que los elementos, aunque absolutamente puros desde un punto de vista
químico, son una mezcla de distintos tipos de átomos, desde luego, con la
misma estructura pero de masa diferente. Estos átomos, químicamente
equivalentes pero de masa diferente, se conocen como isótopos.
Examinemos la tabla periódica de los elementos. El comportamiento
químico de cada uno de ellos está dado, en gran medida, por el lugar que
ocupa en la tabla; o sea que los metales alcalinos, de comportamiento
similar, ocupan la misma columna vertical, así como los alcalinotérreos,
los metales nobles, los metales pesados, los halógenos o los gases nobles.
El ordenamiento de los elementos de la tabla periódica se hizo
inicialmente tomando como base el peso atómico, pero hoy se ordenan de
acuerdo con su número atómico. Si los isótopos de un elemento se
separan y se pesan se encuentra que cada isótopo tiene un peso atómico
muy cercano a un número entero. Por lo tanto la parte fraccionaria del
peso atómico de un elemento es el resultado de tomar el promedio de los
pesos atómicos de la mezcla natural de isótopos. Como cada isótopo de un
elemento tiene un peso atómico próximo a un número entero, parece
razonable, como lo propuso Prout, suponer que el átomo de hidrógeno,
con peso atómico muy próximo a 1, es la pieza fundamental a partir de la
que se construyen todos los demás átomos.
El mismo Hahn cuenta:
El resultado final de mi trabajo fue, por lo tanto, no la preparación de un estado puro, de quizás 9 mg de radio,
sino el descubrimiento de un nuevo "radioelemento" que producía la emanación del torio pero que era más
fuertemente radiactivo que el torio conocido. Llamé a la sustancia radiotorio. ¿Cómo vino a dar esta sustancia
a la muestra de radio? La explicación es que la muestra no se extrajo de una veta de uranio puro, sino de una
veta llamada torianita, que existe en Ceilán (hoy Sri-Lanka) y que contiene además de uranio un alto
porcentaje de torio. Hablando estrictamente, el descubrimiento del radiotorio fue sólo un asunto de suerte.
LA CONTROVERSIA
Entusiasmado Otto Hahn, junto con otro joven alemán, Otto Sackur, se enfrentó con un tema entonces muy
polémico: ¿cuál era la diferencia entre el actinio reportado por A. L. Debierne (1874-1849) y el emanio de F. O.
Giesel (1852-1927?) Los dos jóvenes investigadores demostraron que eran idénticos. En detalle, sucedió lo
siguiente.
Debierne, que trabajaba con los Curie, encontró, entre los hidróxidos utilizados en el tratamiento de la pechblenda,
un nuevo elemento al que llamó actinio. Su vida media era sólo de unos cuantos segundos.
Simultánea e independientemente Giesel descubrió, al tratar de preparar radio a partir de pechblenda para la Fábrica
de Quinina de Brunswick, un elemento también de vida muy corta, al que llamó emanio.
Las propiedades químicas del actinio de Debierne y del emanio de Giesel, tal y como las describieron los dos
descubridores, eran diferentes, por lo tanto, parecía que se trataba de elementos distintos. Ramsay consiguió
muestras de ambas sustancias y se las entregó a Sacktir y a Hahn quienes determinaron con precisión la vida media
de cada uno. Resultaron ser ambas de 3.9 s; por lo tanto, el actinio y el emanio tenían que ser el mismo elemento.
Se decidió retener el nombre de actionio, ya que el artículo de Debierne precedió el de Giesel. Sin embargo,
sabemos que éste entendía mejor las propiedades (muy parecidas a las del lantano, por cierto) de este elemento.
En vista de los éxitos obtenidos, Hahn decidió no corregir el rumbo y dedicarse a la radioquímica. Con el apoyo de
Ramsay, que lo estimaba mucho y que estaba convencido de que tales dotes para la investigación se perderían en la
industria, consiguió una plaza en el Instituto de Química de la Universidad de Berlín, dirigido por Emil Fischer
(1852-1919, premio Nobel de química en 1902). Antes de ocuparla, decidió pasarse unos cuantos meses en
Montreal con Ernest Rutherford (187-1937, premio Nobel de química en 1908) para especializarse de lleno en el
estudio de las desintegraciones radiactivas.
Desintegración radiactiva
Los elementos radiactivos liberan tres clases de radiaciones: ondas electromagnéticas de alta
frecuencia, conocidas como radiaciones (g), corrientes de electrones de alta velocidad llamadas
partículas (b) y fragmentos, constituidos por dos unidades de carga positiva y cuya masa es la de un
átomo de helio, llamadas partículas alfa. En teoría, por lo menos, es relativamente fácil separar estos
tres tipos de radiaciones cuando son emitidas por una pequeña porción de material que contenga una
mezcla de elementos radiactivos. Por ejemplo, si se hace un orificio pequeño en un bloque de plomo
(este elemento absorbe radiaciones de todas clases) y si se coloca un poco de material radiactivo en el
fondo del orificio, saldrá de la entrada del orificio un haz de radiación muy fino. Si este haz pasa a
través de un intenso campo eléctrico formado por un par de placas paralelas el haz se dividirá. Igual
sucede si pasa a través de un intenso campo magnético. En efecto como las partículas a son positivas
se desvían, como las b son negativas también se desvían pero en sentido inverso, y los rayos g no se
desvían (figura V,1)
EN LA UNIVERSIDAD MCGILL
En septiembre de 1905, a los 26 años, O. Hahn cruzó el Atlántico para incorporarse a la Universidad McGill en
Montreal.
Figura V.1. Los elementos radiactivos liberan tres clases de radiaciones que se pueden separar mediante un
campo eléctrico.
¡Cuál no fue su sorpresa al comprobar que se le recibía con cierta reserva! No creían en la veracidad de sus
descubrimientos porque B. B. Boltwood (1870-1927), un buen amigo de Rutherford y sobresaliente radioquímico
de Yale, había trabajado con el radiotorio descubierto por Hahn y había determinado que: "la substancia viene a ser
un nuevo compuesto de ThX y de estupidez". Sin embargo, Hahn supo demostrar que el radiotorio existía y además
logró hacerse amigo de todos sus nuevos colegas, incluyendo al mismo Boltwood.
Hahn escribió:
El ambiente en el instituto de Rutherford era de lo más estimulante. Rutherford todavía no se había vuelto
mundialmente famoso como para atraer muchos alumnos[...] el único forastero, además de mí, era el doctor
Max Levin de Gotinga, y él también estaba estudiando radiactividad. Después fue profesor en Gotinga pero,
más adelante, por razones extrañas, tuvo que ocuparse de la fábrica de relojes de su padre.
En una ocasión la revista inglesa Nature quiso publicar una fotografía de Rutherford, al que le importaba muy poco
la apariencia externa. Sin embargo, al público inglés no se le podía presentar un retrato en el cual no se viesen los
puños albeantes de la camisa asomando bajo las mangas de la chaqueta. Fue Otto Hahn el que le prestó a
Rutherford sus puños postizos (puños que, como el cuello, se ponían y se quitaban a las camisas para poderlos lavar
y almidonar por separado) para que el neozelandés posara luciendo impecable. Otto Hahn presumía de que al
menos sus puños habían sido inmortalizados por Nature en 1906, mismo año en el que el que pasó a formar parte
de la Universidad de Berlín, ya "transmutado" de químico orgánico a radioquímico.
LA TRANSMUTACIÓN
Las transformaciones radiactivas se escriben científicamente como transformaciones
químicas, añadiendo las masas y las cargas eléctricas. Así, la transmutación del núcleo de
uranio, cuyo número de masa es 238 y cuyo número atómico es 92, a núcleo de torio de
número de masa 239 y número atómico 90 se formula:
Se pone de este modo en evidencia, con los índices superiores, la conservación del
número de nucleones (238=234 + 4), y con los índices inferiores, la conservación
algebraica de las cargas (92=2+90). Se conoce como radiactividad a a una transformación
en la cual el núcleo del átomo pierde solamente una partícula α, por ejemplo:
De manera más general, si un radioelemento de número de masa A y de número atómico
Z presenta radiactividad α la reacción nuclear se formula como:
o sea que en la tabla periódica el nuevo elemento se encuentra dos casillas más atrás
(figura V.2). La reacción nuclear inversa, es decir la captura de una partícula a por un
núcleo, también es posible.
Figura V.2. Resultado de la radiación a, la reacción nuclear se formula como:
Como radiactividad β- se define a una transformación durante la cual un neutrón del
núcleo se divide en un protón que allí permanece y en un electrón que se expulsa. Por
ejemplo, un tipo de radio B, se transforma en radio C, que es otro tipo de radio:
O sea en general:
Esta transmutación no cambia el número de masa, pero aumenta el número atómico una
unidad. Por lo tanto, hace que el elemento formado haya avanzado un casillero en la tabla
periódica.
Análogamente, la radiactividad β+ es una transformación en el curso de la cual el protón
del núcleo se divide en un neutrón que se queda en el núcleo y un electrón positivo que se
expulsa (figuras V.3 y V.4)
Figura V.3. Resultado de la radioactividad b-, en general se puede escribir:
Figura V.4. Resultado de la radioactividad b+, en general se puede escribir:
LA ESCUELA ALEMANA
Hahn se incorporó en 1906 al instituto dirigido por Fischer. De recién llegado, para proseguir sus investigaciones,
estableció una relación, provechosa para ambas partes, con "Knofler y compañía", que eran los productores de
preparaciones de torio. En Canadá, Hahn había encontrado que la vida media del radiotorio era de dos años, pero
Boltwood (¡otra vez Boltwood!) argumentaba, con base en sus resultados, que debía ser menor. Hahn probó,
estudiando muestras preparadas, varios años antes, que la actividad disminuía al principio y luego aumentaba
gradualmente. Es decir, que debía existir un radioelemento entre el torio y el radiotorio. Otto Hahn consiguió
separarlo en 1907 y lo llamó mesotorio. Como químicamente no es fácil separarlo del radio, material escaso en
Alemania, y como la demanda de radio crecía, Knofler y Compañía decidieron vender, con mucho éxito por cierto,
el mesotorio de gran actividad, al que se conoció como radio alemán.
Otto Hahn nos cuenta:
Un día Emil Fischer me mandó llamar para que le procurara información sobre la radiación del mesotorio a un
profesor del Charité-Hospital de Berlín que quería usarlo para irradiar cultivos de tubérculos. El viejo
Geheimrat me recibió amablemente y entonces empezó a describir los experimentos que había llevado a cabo
con "semitorio". Cuando repliqué, con toda la modestia debida, que el nombre correcto era mesotorio, me dio
una amistosa palmada en la espalda y dijo: "¡Créame joven colega, la sustancia se llama semitorio!"
Recordando la mala impresión que causé en el Congreso de Bunsen, esta vez, con recién estrenada modestia,
tuve buen cuidado de no corregir su error.
Con la misma modestia recuerda:
Todos mis intentos de separar uno del otro los dos "elementos", radio, y mesotorio, fallaron. Resultaba tan
imposible como separar el radiotorio del torio. El parecido químico entre las sustancias era evidentemente
mayor que el que hay, por ejemplo, entre las tierras raras; nadie aún había pensado, sin embargo, en la posible
existencia de los isótopos.
Al año de su regreso a Alemania, Otto Hahn ya era privatdozent (profesor auxiliar) y en 1910 profesor. Muy pronto
se hizo amigo de sus colegas físicos, entre ellos Walther Nernst (1864-1941) y de compañeros más jóvenes como
Max von Laue (1879-1960), Adolf von Baeyer (1835-1917), Gustav Hertz (1887-1975) y James Franck (18821964), todos ellos premios Nobel entre 1905 y 1925.
Esto no quiere decir que aun en un medio tan privilegiado intelectualmente no existiesen los "valores establecidos".
Por ejemplo en 1907, durante un congreso, su amigo Max Levin tuvo que sugerirle a Otto Hahn que fuese más
prudente en algunas de sus intervenciones, pues acababa de oír a un profesor de la vieja guardia decirle a otro: "Oh,
es uno de esos berlineses britanizados", refiriéndose a Hahn. Fue a partir de este incidente cuando Hahn decidió
"volverse modesto", tal y como lo probó en su entrevista con el Geheimrat que referimos arriba. Hasta Emil Fischer
era uno de los que difícilmente aceptaban que se pudiese detectar, por métodos radiactivos y por sus propiedades
químicas, cantidades muy por debajo de lo que se puede pesar. En la conferencia inaugural del curso dictado por
Otto Hahn en 1907, Fischer declaró que para ciertas sustancias la prueba más fina era la del olfato, y difícilmente se
encontraría otra más sensible. Esta actitud conservadora y tradicionalista fue característica de los químicos,
mientras que los físicos se mostraron más avanzados, entre ellos la austriaca Lise Meitner (1878-1968).
A Berlín llegó de Viena Lise Meitner en el otoño de 1907 para efectuar un trabajo teórico bajo la dirección de Max
Planck (1858-1947, premio Nobel de física en 1918) y para llevar a cabo algunos estudios experimentales sobre la
radiactividad. Así empezó una colaboración fructífera entre Hahn y Meitner, que tenían la misma edad. Trabajaron
bajo el mismo techo durante 31 años. Su colaboración se vio interrumpida porque Meitner tuvo que escapar de
Alemania, huyendo de la persecución política y racial. Pero volvamos al año 1907, Hahn nos cuenta:
En aquellos días no se permitía a las mujeres trabajar en el Instituto Fischer. Cuando le planteé la
colaboración a Emil Fischer, le otorgó un permiso a la señorita Meitner para que trabajase conmigo en la
carpintería de la planta baja del instituto (Otto Hahn se refiere, aquí. al local en donde estaba instalado su
laboratorio, y que había sido una carpintería), en donde se llevaban a cabo las medidas de radiactividad: le
solicitó, sin embargo, que no entrase a los cuartos de estudio del piso superior ya que sentaría un mal
precedente.
También por aquellos días Hahn disponía, en su laboratorio, de una colección casi completa de radioelementos. Él
y Lise Meitner decidieron observar las radiaciones beta, es decir, los electrones emitidos por los materiales
radiactivos. Comprobaron que varios elementos, al contrario de lo que se creía, eran emisores de radiaciones beta
cuando decaían.
EN LA SOCIEDAD KAISER WILHELM
Cuando el nuevo Instituto de Química (Institut für Chemie) de la Sociedad Kaiser Wilhelm abrió sus puertas en
Berlín-Dahlem a finales de 1912, a Hahn lo nombraron jefe de un departamento de radiación pequeño pero
independiente, del cual, desde luego Meitner formaba parte. Como este laboratorio era nuevo, no estaba
contaminado, lo cual les permitió estudiar substancias de radiactividad tan débil como el rubidio y el potasio. Se
interesaron entonces en fechar rocas gracias a dichos elementos. Con los años este laboratorio se dividió en dos
grandes departamentos, uno abocado a la radioquímica, dirigido por Hahn, y el otro a la física nuclear, dirigido por
Meitner. Recuerda Otto Hahn:
Después de mudarnos de nuestro territorio contaminado del Instituto de Química al recién levantado Instituto
de Química de la Sociedad Kaiser Wilhelm (1913). pudimos hacer trabajo experimental con los elementos
débilmente activos, potasio y rubidio. Muchos años después estas investigaciones llevaron a lo que se llamo
"método del estroncio" para determinar la edad geológica.
Método de estroncio
Los elementos radiactivosnaturales son, sobre todo, isótopos de los elementos con número
atómico mayor de 80, es decir, que en la tabla periódica se encuentran más allá del
mercurio (Hg). Estos elementos radiactivos se prestan a numerosos métodos de fechado (o
medida de antigüedad) de muestras geológicas o arqueológicas. En un sistema aislado, la
ley según la cual decrece el número total de átomos del padre (N) y aumenta el número de
átomos del hijo (D) está dada por: No=N+D, en donde Noes el número inicial de átomos
del padre. Además, se sabe que como el padre decae el número de átomos del padre es
función del tiempo (t):
Ln N=-λ t + Ln No.
o sea N=Noe-λt en donde λ = Ln2 /t1/2
No se debe confundir t, que es el tiempo que se desea determinar, y t1/2 que es la vida
media del elemento inicial. Así, el tiempo transcurrido desde el origen del sistema es:
t = (1 / λ) Ln (1 + D / N ) porque N = ( N+D ) e-λt
Por lo tanto t se puede deducir a partir de λ y de la abundancia relativa del átomo padre y
del átomo hijo.
La desintegración del 87Rb en 87Sr es la filiación más importante en la medida de muestras
geológicas. El rubidio natural (Rb) es una mezcla de los isótopos 85Rb (72.15%) y 87Rb
(27.85%).. El contenido de estroncio, "común y corriente" en el 87Sr (no radiactivo) es de
7.02%.
El periodo (o sea λ) del 87Rb, que es de 4.7 x 1010, años nos permite hacer las siguientes
aproximaciones:
N ~ No ( 1- λ t)
D = No - N = No λ t
t = (No - N) / λ No ~ D / λ No
que es una ecuación sencilla, pero que necesita de una determinación muy precisa del
contenido de estroncio 87Sr no radiactivo en la muestra. Este método es efectivo en el caso
de las micas, por ejemplo. En general el estroncio se extrae por vía química y el contenido
de Sr se determina por espectrometría de masas.
TIEMPOS AMARGOS
Éstos fueron también los años en los que se hicieron los avances más importantes en la teoría de la radioquímica.
Fajans y Soddy, independientemente, concluyeron en 1913 que cada grupo de especies inseparables (como el
radiotorio y el torio) correspondían a un solo elemento químico, o sea que se debían clasificar en el mismo sitio de
la tabla periódica. Por eso Soddy propuso designar a las especies de un grupo como isótopos, del griego iso, mismo,
igual, y topos, lugar. Es decir, que en cada casilla de la tabla periódica se debe incluir a todos los átomos que
tengan el mismo número de protones (número atómico) aunque su masa sea diferente (o sea, aunque tengan
diferente número de neutrones), tal y como lo explicamos anteriormente.
Como otros radioquímicos, Hahn ya estaba familiarizado con hechos como la imposibilidad de separar el mesotorio
del radio o el radiotorio del torio. Pero las generalizaciones necesarias para explicar estos rompecabezas no eran su
fuerte. Hahn era, ante todo, un excelente experimentador.
Sintiendo que su vida ya estaba encarrilada, Hahn se casó con Edith Junghans en 1913, más la fatalidad quiso que,
un año después, estallara la primera Guerra Mundial y que tuviese que incorporarse a un regimiento. En 1915, a los
treinta y seis años con grado de sargento, participaba activamente en la guerra química, bajo la dirección científica
de Fritz Haber (1868 - 1934 premio Nobel de química en 1918). Así, se vio envuelto en el desarrollo, prueba,
manufactura y uso de nuevas armas, y vivió el conflicto en el frente occidental durante el otoño de 1914. Cuando se
encontraba en Bruselas en enero de 1915 se le ordenó que llamara a Fritz Haber, que entonces se encontraba
también en Bélgica cumpliendo con una misión para el Ministerio de la Guerra.
Haber le explicó que la guerra se había visto paralizada en las trincheras y que hacían falta nuevas armas para
romper el estancamiento. Anteriormente se habían probado irritantes químicos con el propósito de hacer
inhabitables las trincheras. Sin embargo Walter Nernst había tenido poco éxito y el propio Haber dio por terminado
el trabajo en diciembre de 1915 cuando una explosión en su laboratorio mató a Otto Sackur. Cuando Hahn visitó a
Haber un mes después, ya no se trataba de sacar al enemigo de las trincheras sino de matarlo, y por eso se
investigaban las posibilidades bélicas del cloro.
A Hahn, ahora teniente, y a algunos de sus colegas (James Franck, Gustav Hertz, Wilhelm Westphal y Erwin
Madelung) los concentró el ejército en una nueva unidad: el Regimiento 36 donde se les entrenó en los usos de los
gases venenosos, la defensa contra ellos y la meteorología. En un par de meses ya estaba Hahn de regreso en
Flandes como miembro de un regimiento de infantería: era el experto en gases. Una vez instalados los cilindros de
gas a lo largo del frente, se planeó el ataque en repetidas ocasiones. Había que programarlo con 24 horas de
adelanto para poder trasladar las unidades de la retaguardia hasta el frente pero, en todas las ocasiones, condiciones
climáticas adversas, obligaron a cancelar la operación. El Alto Mando decidió entonces mover los cilindros a
Yprès, Bélgica donde los vientos solían ser favorables. En abril de 1915 se liberó el gas de 5 000 cilindros
distribuidos en un frente de más de 6 km y se formó una nube de 640 a 915 m de espesor que fue a dar a las líneas
francesas afectándolas gravemente. Casi una división se asfixió, más de 15 000 hombres resultaron afectados y un
tercio de ellos murió. Este suceso se suele considerar como el inicio de las guerras químicas "científicamente"
organizadas.
Ni la guerra química, ni ningún tipo de destrucción iban con el carácter de Hahn, tan preocupado por los problemas
morales. En su autobiografía escribió:
Como resultado de trabajar con sustancias tan tóxicas nuestras mentes se nublaron tanto que perdimos todo
escrúpulo. En cualquier forma, para entonces nuestros enemigos habían copiado nuestros métodos y, como se
perfeccionaron rápidamente en este tipo de guerra, nos convertimos paulatinamente en receptores del ataque y
fuimos dejando de ser los agresores. Otro factor que se debe considerar es que nosotros, como observadores
del frente, pocas veces vimos los efectos directos de nuestras armas. En general, todo lo que sabíamos era que
el enemigo había abandonado las posiciones que se habían bombardeado con granadas de gas.
En ambos lados del frente hubo combatientes a quienes participar en la guerra con armas de gas no les provocó
sentimientos de culpa. Se invocó la necesidad de defenderse, y la reacción de los aliados fue brutal. Cierta
instalación de desarrollo e investigación situada cerca de Washington, por ejemplo, sólo contaba con dos edificios
cuando EUA entró en la guerra mas, para la fecha del Armisticio, había 50 edificios y trabajaban allí 1 200
científicos. Un grupo de investigación dirigido por James Bryant Conant elaboró un proceso para producir gas
mostaza (mucho más mortífero que el de los alemanes) cuando un grupo británico, encabezado por William Pape,
acababa de lograr lo mismo. Pero, volvamos a Hahn y a la primera Guerra Mundial.
De esa época. Otto Hahn relata esta anécdota:
Durante la primera Guerra Mundial mi coronel me presentó a un oficial superior con las palabras: "En la vida
civil el teniente Hahn es profesor y descubrió el mesotorio." El oficial contestó: "Entiendo que el teniente
Hahn es químico: ¿pero qué tiene que hacer con animales antediluvianos?
A pesar de tanta actividad, antes del armisticio Hahn tuvo la oportunidad de visitar su laboratorio en BerlínDahlem. Con Meitner, en 1917, descubrió el isótopo más estable del elemento 91, que llamaron protactinio (Fajans
y Gohring, en 1913, habían descubierto este elemento, el 91, y lo habían bautizado brevium debido a su muy corta
vida).
Como ya casi todos los elementos naturales habían sido descubiertos, los temas de investigación básica en
radioquímica eran muy limitados. Hahn se dedicó durante los doce años siguientes a estudiar las aplicaciones de la
radiactividad a los problemas químicos hasta que la radioquímica resurgió para transformarse en química nuclear
con el gran acontecimiento de 1932: James Chadwick (1891-1974, premio Nobel de física en 1935) descubrió el
neutrón. Solo dos años después, en 1934, Irène Curie (1897-1956) y Frédéric Joliot (1900-1958) (premios Nobel de
física en 1935), pusieron en evidencia los tres primeros radioisótopos artificiales y un nuevo mecanismo de
desintegración beta por emisión de electrones positivos, llamados positrones y definidos como partículas
elementales de carga positiva y de la misma masa que el electrón negativo. ¡Es decir que los Joliot-Curie habían
descubierto la radiactividad artificial! Es sorprendente que nadie pensara que el resultado de una desintegración
nuclear debería ser un núcleo inestable, aunque durante 30 años se estuviese familiarizado con los núcleos
inestables.
Otto Frisch, de quien hablaremos en detalle más adelante, comentó:
Después del descubrimiento hubo una especie de estampida de borregos para repetir el experimento con las
más obvias variaciones (yo fui uno de los borregos). Sólo Fermi tuvo la inteligencia de lanzarse en una
dirección muy diferente y extremadamente fructífera. Sólo Fermi tuvo la inteligencia de lanzarse en una
dirección muy diferente y extremadamente fructífera.
Para ello, Fermi disponía del instrumental adecuado. Al enterarse del descubrimento de los Joliot-Curie, propuso un
experimento para comprobar si con neutrones, se formaban núcleos radiactivos. La mayor parte de los
investigadores encontraron que semejante experimento no tenía futuro, ya que se disponía de mucho menos
neutrones que de partículas alfa (las partículas alfa no son más que núcleos de helio). Pero no se dieron cuenta de
que a los neutrones como no tienen carga, no los frenan los electrones y no los repele el campo de Coulomb del
núcleo, esto es, son más eficaces que las partículas alfa. Es más: el neutrón, al acercarse al núcleo, queda sujeto a
las intensísimas fuerzas que existen entre los protones y los neutrones del núcleo.
Cuatro semanas después del descubrimiento de los Joliot-Curie, Fermi publicó los primeros resultados que
probaban que varios elementos se vuelven radiactivos cuando se les bombardea con neutrones. Un mes más tarde
ya anunciaba que el bombardeo del uranio producía una nueva radiactividad que parecía deberse a elementos
transuránicos, o sea elementos con más de 92 protones y, por lo tanto, situados más allá del uranio en la tabla
periódica.
Los transuránicos
Enrico Frmi y sus colaboradores intentaban, al irradiar el elemento más pesado
presente en la naturaleza (el uranio, cuyo número atómico, Z, es 92), obtener un
elemento con número atómico 93, o sea, el primer elemento transuránico. A
diferencia de las partículas α que se habían usado anteriormente para inducir
transformaciones nucleares, los neutrones, partículas sin carga, se unen
fácilmente a los núcleos atómicos, aun en el caso de los elementos pesados.
Así, en esta última posibilidad se obtienen isótopos del elemento inicial, que
sufre un decaimiento β-. En el decaimiento β- el isótopo emite un electrón y se
transforma en el elemento con el siguiente número atómico. Por ejemplo, el
isótopo estable de la plata 109 (Z=47) captura, un neutrón para formar plata 110
que decae por emisión β- (vida media de 2 horas) en cadmio estable 110:
Si el mismo tipo de reacción se produjera en el uranio, se esperaría formar el
elemento 93:
Este elemento tendría que haber sido radiactivo y, nuevamente por emisión β-,
debería haber dado lugar al elemento 94:
Este razonamiento parece lógico, tanto así que Fermi y sus colaboradores en su
laboratorio de Roma encontraron al menos cinco emisores β- con vidas medias
de 10s, 40s, 13m y un día, después de irradiar uranio con neutrones.
En esta época, el uranio, debido a su más alto estado de oxidación (+6) se
colocaba en el grupo de los elementos de transición, es decir, debajo del cromo.
Por lo tanto, para los elementos más allá del uranio, se esperaban propiedades
similares Re, Os, e Ir. Estos elementos se denominaban según homólogos: Eka Re, Eka-Os, Eka-Ir, etcétera.
Sin embargo la detección de emisiones β- no es una prueba suficiente. La
formación de nuevos elementos se debe probar de un modo más directo o sea,
por métodos químicos. Había que demostrar que las actividades químicas de los
compuestos transuránicos eran las esperadas dada su localización en la tabla
periódica. Estas identificaciones son muy difíciles porque las emisiones β- se
producen en cantidades ínfimas, que no son ni visibles ni pesables. La única
manera de hacerlo es por la radiactividad, que permite la detección incluso de
átomos aislados. Es fácil entender las reservas de Fermi cuando concluyó que
había encontrado elementos más pesados que el uranio. Esta conclusión, de
inmediato, provocó grandes polémicas en Alemania: entre otros Von Grosse y
Agruss asignaban la actividad detectada por Fermi al elemento 91, el
protactinio.
Y como sucede muy a menudo, un resultado equivocado dio el empujón necesario. Este "descubrimiento" puso a
Hahn y a Meitner en el camino de la fama. Ambos se sintieron desafiados ya que consideraban al protactinio su
coto privado; fueron ellos, en efecto, los que nombraron al elemento y los que encontraron al único isótopo natural
de protactinio que existe en cantidades pesables: el protactinio - 231 ( 3.3 x 104 años). Aún más, Hahn había
descubierto con protactinio-234 el fenómeno del isomerisino nuclear, o sea la existencia de dos núcleos con el
mismo número de protones y de neutrones pero con diferentes vidas medias: 1.17 m para el metaestable (m) y 6.75
horas para el estado base (g). Fue Lise Meitner quien se interesó de inmediato en las reacciones nucleares de Fermi
y quien convenció a O. Hahn de reiniciar la colaboración interrumpida hacía 12 años. La idea era centrarse en los
elementos transuránicos. En una primera nota sus observaciones estaban de acuerdo con la interpretación de Fermi,
pero había que investigar qué eran todos esos "nuevos elementos", interpretar tantos resultados sorprendentes y
entender el mecanismo por el cual se formaban.
Era la época en la que Leo Szilard bromeaba diciendo que si un hombre, de repente, hacía algo inesperado había
una mujer detrás de él, pero que si un núcleo atómico hacía algo inesperado seguramente había un neutrón detrás de
él. Lise Meitner escribió:
Encontré que estos experimentos eran tan fascinantes que en cuanto aparecieron en Nuovo Cimiento y en
Nature convencí a Otto Hahn de colaborar directamente conmigo otra vez [...] para resolver estos problemas.
Me pareció muy sorprendente que el uranio diera lugar a una cadena tan larga de emisores β consecutivos.
Se trataba, pues, de un problema de física nuclear, así que ahora era Lise Meitner quien definía el problema y
dirigía al grupo de Berlín. Sin embargo, la ayuda de Hahn era fundamental. La Meitner le confesó a Max von Laue
"que no se llegaría a ningún sitio en este campo sólo con la física. Hacía falta la ayuda de un químico del calibre de
Otto para tener éxito". Una vez más se comprueban las características de la ciencia moderna: el trabajo en equipo y
la interdisciplinaridad. Sin embargo todo este trabajo se veía muy entorpecido por la situación política de
Alemania. Hitler tomó el poder en 1933 y el Partido Nazi se convirtió en el único autorizado. Los primeros campos
de concentración aparecieron en 1933.
LA HUIDA
En unos cuantos meses las universidades alemanas perdieron al 25% de sus físicos debido a las políticas raciales de
Hitler. Entre ellos Einstein, Franck, Born , Otto Stern y muchos profesores jóvenes quienes aún no eran tan
conocidos. Aunque Lise Meitner no escondía sus raíces judías, no fue despedida. Su primer impulso fue renunciar a
su plaza pero sus amigos la convencieron de no hacerlo. Después lo vio claramente: "quedarse hubiese tenido el
efecto de apoyar a Hitler."
En 1933 era difícil adivinar el futuro, así que permaneció en Berlín. Allí disponía de todo lo necesario para trabajar
y mal que bien el instituto consiguió barajar sus cartas políticas con mucha cautela para esquivar las persecuciones
raciales y políticas.
A mediados de 1935, el dúo Hahn-Meitner le pidió al joven Fritz Strassman, un experto químico analítico, que
colaborara con ellos. Se formo así un equipo armonioso tanto desde el punto de vista científico (químico, físico,
químico analítico) como político: Meitner, "no aria", Hahn, conocido por sus puntos de vista antinazi y Strassmann,
el valiente joven que se negó a unirse al Partido Nazi o a cualquier organización afín, y que por lo tanto tenía todas
las puertas cerradas fuera del Instituto.
No fue sino en marzo de 1938 (cuando se produjo la anexión de Austria por los nazis) que empezaron a propagarse
rumores de que Lise Meitner (judía austriaca) podría perder su plaza y de que se le impediría salir de Alemania
para proteger los secretos científicos. El 13 de julio de 1938, Meitner se escapo literalmente "de contrabando" con
la ropa que traía puesta y unas cuantas monedas en el bolsillo. Logró llegar a Holanda gracias a sus amigos Dirk
Coster y Adrian Fokker. Iba sin pasaporte ni papeles pero logró pasar después a Dinamarca y luego a Suecia, en
donde Manne Siegbahn la acogió en el Instituto Nobel de Estocolmo.
HAHN Y STRASSMAN DESUBRIDORES
En Francia, Irène Curie y su colaborador yugoslavo Pável Savitch lograron aislar, después de bombardear al uranio
con neutrones, una sola substancia cuya vida media era de 3.5 horas. Lo consiguieron cubriendo sus muestras con
una capa gruesa de bronce. Esta sustancia, por su comportamiento químico, parecía ser torio.
Hahn revisó el trabajo y concluyó que no era torio. Así se lo comunicó a los franceses, que en un artículo del
verano de 1938 reconocieron que, en efecto, la problemática substancia no se comportaba como el actinio,
añadiendo que se parecía mucho al lantano. Curie y Savitch escribieron textualmente "Se puede separar por
fraccionamiento."
¡Qué cerca estaban de la fisión nuclear! El mismo Hahn nos dice:
de hecho su sustancia era sin lugar a dudas el mismo lantano. Si la señora Joliot-Curie y Savitch lo hubiesen
reconocido, hubiesen estado a punto de descubrir la fisión.
Nuevamente Hahn, esta vez con Fritz Strassmann y ya sin Meitner, puso manos a la obra y repitió este trabajo.
Hahn y Strassmann descubrieron productos radiactivos que se comportaban en parte como el actinio, en parte como
el radio. Determinaron cuidadosamente las propiedades de este "radio" y se dieron cuenta de que eran idénticas a
las del bario. Hahn explica: "En breve, nuestro 'radio' artificial no se podía separar del bario ¡por la sencilla razón
de que era bario!" Otto Frisch cuenta:
Fue entonces cuando yo aparezco, porque L. Meitner se sentía sola en Suecia y, como sobrino devoto, fui a
visitarla en Navidad. Allí, en un pequeño hotel, en Kungalv, cerca de Goteborg, la encontré desayunando y
meditando sobre una carta de Hahn. Me mostré escéptico sobre el contenido —que el bario se formaba por
bombardeo del uranio con neutrones— pero ella siguió dándole vueltas. Caminamos en la nieve, yo con
esquís, ella a pie[...] y gradualmente la idea fue tomando forma[. ..] era un proceso que se debía explicar en
términos de la idea de Bohr, o sea que el núcleo era como una gota líquida; semejante gota puede elongarse y
dividirse. Pensé en la manera como la carga eléctrica del núcleo hubiese disminuido la tensión superficial y vi
que sería cero para Z = 100 y seguramente muy pequeña para el uranio[...]. En el primer artículo utilicé la
palabra "fisión", que me sugirió el biólogo norteamericano William A. Arnold, a quien le pregunté cómo se
llamaba la división de una célula.
En el primer artículo utilicé la palabra "fisión", que me sugirió el biólogo norteamericano William A. Arnold, a
quien le pregunté cómo se llamaba la división de una célula.
[Hahn nos lo cuenta así:]
En enero de 1939 publicamos un resumen de estos experimentos que se separan de todos los experimentos
previos en física nuclear. Al interpretar los experimentos fuimos muy cautelosos, en parte porque la serie de
pruebas todavía no estaba totalmente terminada —duraron varias semanas. Pero nuestra cautela no se debía a
desconfianza en nuestros resultados. En efecto, yo había comprobado nuestra conclusión, ya que habíamos
identificado como lantano un producto de decaimiento de uno de nuestros isótopos de radio, lo cual
significaba que el padre debía ser radio y no bario. Nuestra excesiva cautela se debía, sobre todo, al hecho de
que, como químicos, no nos atrevíamos a anunciar un descubrimiento revolucionario en física. Sin embargo,
hablamos de "estallido" del uranio, así llamamos al sorprendente proceso que había producido bario, muy
abajo en la tabla periódica[...]. Inmediatamente después de aparecer nuestro artículo, Meitner y su sobrino
Otto Frisch, independientemente, salieron con su histórica publicación demostrando cómo el modelo atómico
de Niels Bohr podía explicar el rompimiento de un átomo pesado en núcleos de tamaño medio.
El papel de Hahn, en tan trascendental descubrimiento, fue aceptar los hechos experimentales. En función de sus
medidas afirmó que obtenía lantano y propuso "el estallido" del núcleo, supo, además, convencer a su entorno (al
revés de I. Noddack, como veremos más adelante) mediante argumentos irrebatibles que sacudieron los
conocimientos de su época. Cuando Otto Frisch regresó a Copenhague le contó a Bohr las conclusiones a que había
llegado. Bohr estaba entonces a punto de embarcarse hacia Estados Unidos, más se entusiasmó exclamando: "Pero
qué tontos hemos sido. Esto es maravilloso y justo como debe ser." Y lo instó a publicar cuanto antes el resultado.
Bohr, en el mismo barco, hizo parte de los cálculos necesarios para probar que era el isótopo 235 del uranio el que
se fisionaba al bombardearlo con neutrones lentos.
La fisión
Esta operación consiste en provocar el estallido del núcleo de un átomo pesado,
obteniendo fragmentos de masa mediana. Un isótopo del uranio, el 238U92 se presta a
este proceso y una de las reacciones que se producen al bombardearlo con neutrones
lentos se formula así:
Esta reacción se conoce como fisión; consume un neutrón lento y libera, además de 2
o 3 neutrones rápidos y energía, dos átomos de una masa media (kriptón y bario). Si
se consigue disminuir la velocidad de estos neutrones rápidos, estos mismos
neutrones son capaces de provocar 2 o 3 nuevas reacciones etcétera.
La energía E se puede calcular para la fisión individual tomando en cuenta las
energías cinéticas del neutrón incidente, de los fragmentos Kr y Ba producidos de los
neutrones expulsados y de la energía de la radiación γ. También se puede hacer la
suma de la energía de cohesión del núcleo inicial de U. La diferencia es entonces
igual a E.
La reacción de fisión contemplada aquí libera alrededor de 200 MeV. Esta energía es
mucho mayor de la que se obtiene en los procesos de radiactividad natural (10 MeV).
¡Las reacciones químicas usadas, como la combustión del carbón, del hidrógeno, etc.,
proveen energías de unos cuantos electrón-volts solamente!
Hay que hacer notar, además, que los 200 MeV no representan más que alrededor de
1/1000 de la masa del átomo de uranio que sufre la ruptura.
En las bombas atómicas se deja que el mecanismo se multiplique y se dispone
rápidamente de una energía colosal. En las pilas atómicas, al contrario, gracias a
dispositivos moderadores, se le impide a la reacción en cadena degenerar en
explosión y se controla en todo momento la potencia liberada por el reactor. El
fenómeno de la fisión no debe confundirse con el de la fusión.
La fusión
En este proceso se parte de núcleos ligeros y se intenta formar núcleos más pesados y
más estables. Como en este campo las diferencias entre las energías de cohesión son
relativamente elevadas, se puede esperar obtener, por unidad de masa de combustible
empleado, una energía mucho mayor que para la fisión de elementos pesados.
Es lo que confirmó la bomba H, cuyo proceso se inició con una bomba atómica
común y corriente, cuyo papel era obtener una temperatura extremadadmente elevada
(millones de grados), necesaria para iniciar la fusión entre los isótopos de hidrógeno.
En un futuro más o menos próximo veremos, sin lugar a dudas, la fusión controlada,
que es la más formidable fuente de energía utilizable que se pueda concebir hoy en
día. Nótese que la clave para que estas reacciones sean útiles se encuentra en que
sean en cadena.
EL OTRO BANDO
No se debe dejar de mencionar aquí que, cuando Fermi estaba seguro de que el uranio, como otros núcleos pesados,
se "tragaría" cualquier neutrón lento que se le acercara, Ida Noddack, una química alemana, apuntaba muy
acertadamente que podían formarse elementos ligeros. Sin embargo Ida Noddack no propuso cómo se podrían
formar dichos elementos ligeros y sus comentarios (publicados en una revista poco leída por los químicos y
sencillamente no leída por los físicos) se tildaron de pedantería pura. Su artículo no tuvo ninguna trascendencia en
el trabajo que vino después, como lo hemos visto en los párrafos anteriores. Ida Noddack dijo textualmente:
Es concebible que durante la irradiación de núcleos pesados con neutrones, estos núcleos se desintegren en
fragmentos mayores que sean isótopos de elementos conocidos pero no necesariamente vecinos de los
elementos originalmente irradiados.
A menudo esta frase se interpreta como la predicción de la fisión nuclear. Sin embargo, hay que insistir en que ni
siquiera la Noddack consideró que su proposición fuera digna de probarse experimentalmente.
Strassmann dijo que había sido una coincidencia. Este menosprecio, sin duda, está influenciado por el dudoso e
irreproducible descubrimiento del elemento natural 43 anunciado por Noddack. Cuando en cierta ocasión Ida
Noddack se quejó de esta actitud: en una nota, Hahn y Strassmann prefirieron en el último momento no publicar
una respuesta muy dura que ya habían redactado y le dejaron la ingrata misión a los editores de la revista. La
relación entre el matrimonio Noddack y el dúo Hahn-Meitner fue muy tirante, ya que a las controversias científicas
se sumaban las políticas.
Y aquí nos vemos obligados a hacer un paréntesis ya relatar lo que sucedía fuera de Berlín.
EN PARÍS
Aunque el grupo de Hahn consiguió mantenerse al margen del esfuerzo de guerra alemán, hubo otros grupos
científicos pertenecientes a la escuela alemana que, colaborando con los aliados o con el eje, influyeron en el curso
de la guerra. En Hamburgo, Paul Hartech, que había sido alumno de Rutherford, alertó al Ministerio de Guerra:
"Nos tomamos la libertad de llamar su atención sobre el progreso más reciente en física nuclear. En nuestra
opinión, permitirá tal vez producir un explosivo muchas veces más potente que cualquiera de los convencionales[.
..] La nación que se anticipe en su empleo tendrá una ventaja insalvable sobre las demás." ¿Palabras proféticas?
Hoy sabemos que sí lo fueron y sin embargo los alemanes no consiguieron fabricar la bomba atómica. Una
explicación de su fracaso, muy discutida al final de la guerra, radica en la reticencia de los físicos alemanes para
fabricar una bomba en provecho de Hitler. En sus recuerdos, escritos después del conflicto, W. Heisenberg (19011976), el famoso teórico alemán, da la impresión de que tanto él como sus colegas no colaboraron en el proyecto
con la diligencia de que eran capaces porque desaprobaban la idea de una bomba en manos del Fürher.
Sin embargo, la documentación confiscada a los alemanes después de la victoria demuestra que, al menos hasta
1942, los físicos alemanes se entregaron en cuerpo y alma al estudio del uranio. Quizás el motivo por el cual estos
trabajos no desembocaron en el arma de la victoria fue la rivalidad entre físicos e ingenieros. En efecto, según los
físicos, los ingenieros eran hombres prácticos y por lo mismo obtusos y sin imaginación. Los físicos, en cambio, se
consideraban (¡y se consideran!) a sí mismos brillantes, ingeniosos, imaginativos, inventores [...] por lo tanto, sólo
ellos debían construir los reactores imprescindibles para obtener el material atómico necesario para la bomba. El
resultado fue que la guerra concluyó sin que Alemania tuviera un reactor operativo.
Y en cuanto a los reactores[...] hay que mencionar lo que sucedió en Francia: Joliot fue sometido a un
interrogatorio para saber en dónde se encontraba el uranio y su agua pesada. Joliot "confesó" que el uranio había
"sido evacuado" y el agua pesada embarcada en Burdeos, y les dio el nombre de un barco que había sido echado a
pique.
Los alemanes se interesaron también en el ciclotrón —casi terminado— construido en los sótanos del Colegio de
Francia, ya que no había ninguno en Alemania, y aunque W. Bothe (1891-1957) tratase de construir uno en su
laboratorio de Heidelberg, pasarían años antes de que lo terminase. Los oficiales de la Wehrmacht decidieron
adueñarse de la máquina de Joliot como botín de guerra y mandarla a Alemania.
En la primera conversación entre los alemanes y Joliot el intérprete resulto ser Wolfgang Gentner ¡El mismo joven
que, siendo estudiante unos años antes en el laboratorio de Joliot, había revisado el contador Geiger cuando, por
primera vez, Joliot detectó la radiactividad artificial! Según Gentner el reencuentro fue difícil para ambos. Sin
embargo, Gentner consiguió entrevistarse en secreto, en uno de los cafés del Barrio Latino, con su antiguo profesor
y pudo advertirle que el ciclotrón francés corría el riesgo de ir a parar a Alemania. Por lo tanto más valía, le sugirió
Gentner, que se le propusiera a los invasores usarlo en la propia Francia. Joliot, con estos datos, supo conseguirlo.
En esa época, la política alemana consistía en tratar con cautela y respeto a los franceses eminentes con la
esperanza, bien fundada por cierto, de que muchos colaborarían a la integración de su país en una Europa nazi. P.
Laval, por ejemplo, quién dirigió el régimen de Vichy presidido por Petain en agosto de 1940, se lamentaba de que
el agua pesada hubiese sido enviada a Gran Bretaña. Así que a finales de 1940 cuatro especialistas alemanes
empezaron a trabajar en el ciclotrón dirigidos por Gentner. Este grupo tardó mucho en hacer funcionar el ciclotrón,
en parte por la dificultad de conseguir las refacciones electrónicas y en parte también porque tuvieron qué
modificarlo. De hecho, Gentner y sus colaboradores no querían trabajar para la guerra porque simpatizaban menos
con sus compatriotas nazis que con sus anfitriones franceses. En más de una ocasión, como lo cuenta Joliot,
avisaron a algunos de sus amigos franceses que la Gestapo los vigilaba.
Cuando Bothe aparecía en París, por una curiosa mala suerte, el ciclotrón no funcionaba. Era el jefe de talleres de
Joliot el que de cuando en cuando cortaba el agua que servía para enfriar el aparato. Bothe entonces tenía que
disculparse por "haber sobrecalentado" la máquina ¡Así, gracias a que un alemán (Gentner) supo separar los
principios humanitarios del mundo de los intereses temporales de su propio país, los alemanes no consiguieron el
ciclotrón!
LA BOMBA Y LA MASA CRÍTICA
El uranio belga y el agua pesada francesa proporcionaban a los aliados los ingredientes necesarios para la reacción
en cadena. Pero recordemos que el uranio existe en la corteza terrestre en tres formas o isótopos. Dos son
importantes, el 238U y el 255U , el fisionable es el 235U, pero aparece sólo en cantidades ínfimas, menos del 1% en
el uranio tal y como se encuentra en la naturaleza. Nadie, en aquel entonces, tenía noción de cuánto 235U se
requería para conseguir la "masa crítica". En aquella época se calculó que la carga imprescindible rayaba en 40
toneladas, o sea que el peso total de una bomba atómica sería demasiado grande para que la transportara un avión.
Fueron dos investigadores, alemán y el otro austríaco, refugiados en Gran Bretaña, Rudolph Peierls y Otto Frisch
(otra vez el sobrino de L. Meitner) los que en un informe de sólo tres páginas propusieron que, en vez de intentar
aumentar la cantidad de 235U era preferible extraer 235U del 238U. Las dos sustancias son químicamente similares y
difieren sólo en el peso, digamos que como la nata y la leche. Los dos alemanes calcularon que 5 kg de 235U, al
fisionarse, liberarían una energía igual a la de varios millones de toneladas de dinamita.
Este Memorandum de Frisch-Peierls, transmitido por los británicos a los estadounidenses, se convirtió en la base
del proyecto Manhattan, cuyas consecuencias todos conocemos.
HAHN CONSAGRADO
Aunque en Alemania se formó un grupo que debía estudiar los desarrollos militares, como lo discutimos antes, para
tranquilidad de Hahn se le permitió seguir con su propia investigación. En efecto, Hahn no se interesó en la enorme
liberación de energía que caracteriza a la fisión nuclear, en cambió le dedicó todo su empeño al estudio de los
fragmentos obtenidos en el proceso. Por lo tanto, no participó en el proyecto del reactor y de la bomba atómica
alemanes.
Al terminar la guerra, así como a otros científicos alemanes, se le obligó a instalarse en Inglaterra. Aunque ya tenía
sesenta y seis años, todavía era un hombre vigoroso; había sido alpinista y ahora corría todos los días. Fue en la
Gran Bretaña en donde se enteró de la explosión de las bombas atómicas en Hiroshima y Nagasaki. Es fácil
entender su angustia, apenas compensada por el premio Nobel de química que se le otorgó en 1945.
Cuando pudo, al fin, volver a Alemania a principios de 1946, lo eligieron presidente de la antigua Sociedad Kaiser
Wilhelm, rebautizada por sugerencia de las potencias de ocupación como Sociedad Max Planck para el avance de
la ciencia. Otto Hahn se convirtió en una figura pública muy respetada era amigo de Theodor Heus (1884-1963,
primer presidente de la RFA) y militó enérgicamente en contra del desarrollo y de las pruebas de las armas
nucleares. Entre otros, firmó la Declaración de Mainau (1955) de los laureados Nobel, resaltando el peligro del mal
uso de la energía atómica. Figuró entre los dieciocho científicos alemanes eminentes que protestaron públicamente
contra la adquisición de armas nucleares por Alemania en 1957.
Simultáneamente se le honraba en todas partes. En 1966, por ejemplo, Meitner; Strassmann y él compartieron el
prestigioso premio Enrico Fermi. Este periodo de su vida se vio oscurecido por la perdida de su hijo único, Hanno,
y de su nuera, que se mataron en un accidente automovilístico en 1960. La señora Hahn nunca se recuperó de tan
triste noticia.
Otto Hahn murió en Gotinga el 28 de julio de 1968 a consecuencia de una caída, y su mujer sólo le sobrevivió dos
semanas.
CONCLUSIÓN
Severo Ochoa (1905- , premio Nobel de medicina en 1959) en entrevista publicada en Ciencia y Desarrollo, afirma
que la investigación necesita de un "caldo de cultivo" o sea de un ambiente y de unas facilidades que, como lo
hemos destacado en este texto, se dieron en la Alemania de principios de siglo.
Aunque hoy éstas son las verdades del barquero, conviene recordar lo que hace más de un siglo Louis Pasteur
(1822-1895), que tenía 57 años cuando nació Otto Hahn, escribió en un folleto dirigido a los franceses:
Os suplico que os intereséis por esos sagrados edificios significativamente llamados laboratorios. Solicitad
que sean multiplicados y completados. Son los templos del futuro, de las riquezas y del bienestar.
Otto Hahn descubrió la fisión nuclear porque, además de su propio talento, disponía del laboratorio adecuado,
porque estaba rodeado de científicos brillantes y porque podía comunicarse y discutir sus resultados con los
investigadores del mundo entero. Y él, que vivió dos guerras, quizás hubiera podido decir lo que Carlos Fuentes
escribe en El prisionero de las Lomas: "la información es la base del poder, pero la condición es saber emplearla, o,
llegado el caso, no emplearla: el silencio también es poder."
BIBLIOGRAFÍA
I. Asimov, Historia de la energía nuclear, Alianza Editorial, El libro de bolsillo, Madrid, 1985.
M. E. Brandan, Armas y explosiones nucleares: la humanidad en peligro, La Ciencia desde México, SEP-FCECONACYT, núm. 61, 1988.
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O. Hahn, New atoms, progress and some memories, Elsevier Publishing Company, 1950.
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A. Mondragón, "La física nuclear" en La física contemporánea 2. La ciencias del siglo XX, UNAM, Guillermo
Aguilar (comp.), México,1983. Nobel Lectures (Physics), Incluye discursos y las biografías de los laureados 19221941. Publicada por la Fundación Nobel en 1965, Elsevier Publishing Company, Amsterdam, Londres, Nueva
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J. Rickards, Las radiaciones: reto y realidades, La Ciencia desde México, SEP-FCE-CONACYT, núm. 8, 1986.
W.R. Shea, Otto Hahn and the rise of nuclear physics, D. Reideel Publishing Company, Dordrecht, Boston,
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S. Weart, La grande aventure des atomistes français, Fayard, París, 1980.
VI. CONCLUSIÓN
PEDRO BOSCH GIRAL
SUILMA M. FERNÁNDEZ-VALVERDE
EN ALGUNAS ocasiones el recuerdo de la vida de los grandes pensadores puede ser un buen pretexto para intentar
hacer un balance de su obra. A menudo será un motivo para enjuiciar fría y distanciadamente las teorías que se
obtuvieron, sin el apasionamiento y la ceguera que producen la entrega total: hasta qué punto hay que atribuirle el
descubrimiento de la fisión nuclear a Otto Hahn y no a Lise Meitner, sin tomar en cuenta que aún habrá quien lo
reclame para Ida Noddack. Sin embargo, de no haber sido por las vicisitudes históricas, Meitner y Hahn hubiesen
trabajado juntos y seguramente habrían firmado ambos tanto el artículo que informa sobre el resultado experimental
como el artículo que lo interpreta. ¿Hasta qué punto se puede decir que sin la presión de las necesidades de la
guerra se dispondría hoy del conocimiento necesario para el funcionamiento de las centrales nucleoeléctricas o de
la tecnología indispensable para curar ciertos tipos de cáncer?
Situar la obra científica de estos pioneros de las ciencias nucleares en función de nuestra época es erigirse en juez,
función que no es ni de nuestro gusto ni de nuestra incumbencia No olvide el lector, antes de pronunciarse, que los
investigadores son como los trabajadores de cualquier otra especialización: los estimula o los frustra su entorno.
Son seres humanos miembros de una comunidad, preocupados por sus recursos y por su situación política y social.
¿Hasta qué grado sus decisiones están determinadas por la sociedad o son ellos los que controlan personalmente los
acontecimientos? No olvidemos tampoco que las consecuencias de todo quehacer científico se deben también a los
jefes de gobierno , a los industriales o a los militares. Son estas consecuencias lo que sí podemos y debemos
subrayar aquí, pues tan trascendentales descubrimientos generaron no sólo un sinfín de aplicaciones prácticas, sino
también una forma original de organizar la ciencia.
En este último terreno, aunque, menos obvios, los adelantos han sentado las bases de una nueva manera de pensar
que arranca de los congresos Solvay, reuniones que Einstein llamaba "El aquelarre de las brujas". Ernest Solvay
(1836-1922), industrial belga, y Walther Nerst (1864-1941) fueron los primeros que pensaron en organizar una
reunión en la cual los físicos pudiesen discutir libremente los problemas más candentes de su campo. La primera se
realizó en 1911, por invitación y además con gastos pagados, con el mecenazgo de Solvay, para los científicos más
famosos de la época. En el primer consejo se encontraban M. Curie, A. Einstein, P. Langevin, M. de Broglie, F. A.
Landerman y V. M. Goldschmidt, entre otros. Se celebraron en total siete reuniones. Desde entonces los
investigadores de la radiactividad siguieron el ejemplo y se crearon nuevos comités para influir en las decisiones
del gobierno; así se formo el Comité Frank en Estados Unidos, que desaconsejó el uso de la bomba atómica. Joliot
encabezó el movimiento Átomos para la Paz, con la esperanza de que el uso de la energía nuclear fuese sólo en
beneficio de la humanidad.
Hoy en día el OIEA (Organismo Internacional de la Energía Atómica) agrupa a los países que cuentan con
instalaciones nucleares. No cabe duda de que éste es el primer paso hacia una justa internacionalización de la
ciencia.
En cuanto a las aplicaciones prácticas, son innumerables. Hemos mencionado anteriormente las centrales
nucleoeléctricas, pero no menos importantes son los usos que se dan a los isótopos radiactivos, tanto en las ciencias
de la atmósfera, en la medicina y hasta en la esterilización de los alimentos y material quirúrgico. En el Apéndice 1
se detallan estas aplicaciones, y en el Apéndice 2. se presentan los países que tienen centrales nucleoeléctricas en
operación. Y aunque estas listas sean impresionantes, quizás la aplicación más importante sea entender el mundo
que nos rodea. Sólo desde el descubrimiento de la radiactividad y de la fisión nuclear se logra explicar, por
ejemplo, por qué el Sol ha radiado calor y luz sin cambios perceptibles durante toda la historia de la civilización.
Ninguna reacción química en el Sol podría explicar su luminosidad desde los tiempos de las pirámides y mucho
menos desde la época de los dinosaurios.
Para finalizar, hay que destacar que los descubrimientos aquí reseñados no son sólo acontecimientos de
dimensiones históricas sino que, además, constituyen un excelente ejemplo de la evolución de la ciencia; que no
sigue una serie de pasos sucesivos y lógicos sino que se desarrolla siguiendo trayectorias a menudo azarosas.
APÉNDICE 1.
Algunos ejemplos de los isótopos radiactivos
Número
Atómico y
nombre del
elemento
Isótopos que integran la familia
(Entre paréntesis, los valores de sus vidas medias)
92
Uranio
U -238
(4.5 x 109) años
91
Protactinio
90
Torio
89
Actinio
88
Radio
87
Francio
86
Radón
85
Astatinio
84
Polonio
83
Bismuto
82
Plomo
81
Talio
80
Mercurio
U-234
(2 x 105)
años
pa-234m
(1.2 min.)
Pa-234
(6.7 horas)
Th-234
(24 días)
230Th-230
(7.5 x 104)
años
Ra-226 (1622
años)
Rn-222
(3.8 días)
At 218 (1.3
seg.)
Po-218
(3 min.)
Po-214
(0.0002)
seg.
Bi-214
(19.7) min.
Pb-214 (26.8)
min.
Po-210
(138 días)
Bi-210 (5
días)
Pb-210
(22 años)
Ti-210
(1.3) min.
Ti-206
(4.3) min.
Hg-206
(8.5) min.
Figura 1 del apéndice 1
Pb-206 (isótopo)
estable
APÉNDICE 2.
Número de reactores y potencia eléctrica neta de 1955 a 1990
1955
País
1960
1965
1970
1975
1980
1985
1988
1990
Núm. MW(e) Núm. MW(e) Núm. MW(e). Núm. MW(e) Núm .MW(e) Núm .MW(e) Núm MW(e). Núm MW(e). Núm. .MW(e)
Argentina
1
335
1
335
2
935
2
935
2
935
4
1681
4
1681
8
5491
7
5480
7
5500
1
626
1
626
1
626
2
816
3
1224
4
1632
5
2585
6
3538
7
2538
10
5680
16
9994
18 12185
20
13947
China
1
288
Cuba
1
408
10
4040
Bélgica
1
11
1
11
Brasil
Bulgaria
Canadá
1
22
2
228
Checoslovaquia
1
110
Finlandia
Francia
2
79
4
329
Alemania
Democrática
Alemania
Federal
1
15
2
816
4
2310
8
1454
10
2607
22 14308
1
62
3
878
5
1694
7
920
9
3323
14
8633
2
300
3
507
4
714
4
1423
Hungría
India
Italia
3
563
3
563
3
563
Japón
2
168
5
1268
13
6301
Rep. de Corea
24 15018
5
2040
4
2310
43 37743
5
1694
19 16413
8
3264
4
2310
4
2310
55 52588
58
56528
1694
8
2102
23 21491
25
23011
5
2
825
4
1645
4
1645
6
1154
6
1154
8
1594
3
1273
2
1120
2
1120
38 28253
41
30367
9
7220
33 23664
1
556
5
3570
8
6270
México
Holanda
1
654
2
508
2
508
2
508
2
508
2
508
1
125
1
125
1
125
1
125
1
125
2
1842
2
1842
2
1842
53
3
1073
3
1073
8
5599
10
7519
10
7544
1
10
5
3197
8
5682
12
9673
12
9673
12
9673
1
350
3
1022
4
1962
5
2952
5
2952
5
2952
4564
33
6820
40 11921
40
12428
110
97623
60
38 746
1
56
Pakistán
Sudáfrica
España
1
Suecia
1
10
Suiza
Reino Unido
Estados Unidos
URSS
1
5
8
392
22
2544
27
3490
30
2
5
361
8
806
17
6176
53 36338
68 50871
93 77549 108 95273
365
10
894
13
1387
23
34 12 256
50 26 940
4997
Yogoslavia
MUNDO
38 10184
1
1
5
17
1197
53
5 362
90 16 428 176 71 483 253
134
374
897
632
56 33 823
1
362
1
632
250
429
312
310
812
457
334 141
NOTA: Estimados para 1990, basados en los datos sobre construcción y operación hasta el 31 de diciembre de 1988
FUENTE: OIEA, "Nuclear Power Reactors in the World", Reference Data Series Num. 2, Organismo Internacional de la Energía Atómica, Viena, 1990.
COLOFÓN
Este libro se terminó de imprimir y encuadernar en el mes de junio de 1994 en Impresora y Encuadernadora
Progreso, S. A. de C. V. (IEPSA), Calz. de San Lorenzo, 244; 09830 México, D. F. Se tiraron 10 000 ejemplares.
Hizo la formación de este libro: SUSANA GUZMÁN DE BLAS, del Taller de composición del FCE.
La Ciencia desde México es una coedicion del Fondo de Cultura Económica. La Secretaria de Educación Pública y
el CONACYT. La coordinan editorialmente MARCO ANTONIO PULIDO Y MARÍA DEL CARMEN FARÍAS
CONTRAPORTADA
En este libro se hace la biografía de los descubridores de la radiactividad, de la radiactividad artificial, de la
estructura del átomo, de las propiedades del neutrón y de la fisión nuclear; es decir, se ahonda en la vida de los
responsables de los cincos peldaños por los que se ascendió o lo que hoy constituyen las ciencias nucleares y que
formaron: un grupo francés (Becquerel, los Curie y los Joliot- Curie), un grupo anglosajón (Chadwick, Rutherford
y Thomson), uno italiano (Fermi) y finalmente uno austriaco-alemán (Frisch, Hahn, Meitner y Strassman).
Algunos de estos investigadores se comprometieron en su tiempo y reaccionaron valientemente contra la injusticia,
participando en la vida política de sus países: Hahn militó activamente en contra de las armas nucleares y una de las
facetas más atractivas de Joliot fue su compromiso pacífico que culminó al alcanzar la presidencia del Comité de la
Paz.
Sigamos, pues, las huellas que los pioneros de la radiactividad dejaron tras de sí en su continuo afán por entenderla
estructura y los propiedades de la materia. Con ellos tocaremos la retirada ante los callejones sin salida y con ellos
nos asombraremos de las maravillas de la naturaleza. Será difícil no tomar partido en sus querellas científicas y en
sus disputas personales, pero revivirlas no sólo ilustra la personalidad de cada uno de ellos sino que revela "cómo
se hace la ciencia" y cual es el entorno necesario para que florezca.
Las ciencias nucleares hoy en día conforman una fuente moderna y activa que ha enriquecido ramas del
conocimiento tan diversas como la arqueología, la medicina y la agricultura. Así, el fechado de múltiples piezas
precolombinas hubiera sido imposible sin los descubrimientos de Becquerel y sus seguidores. Del mismo modo el
mundo moderno, con sus necesidades insaciables de energía. sería inconcebible sin los hallazgos de Meitner, Hahn
y Strassman. Las aplicaciones prácticas son innumerables, pero quizá la más importante sea entender el mundo que
nos rodea.
Todos los autores de este libro son egresados de universidades nacionales y han obtenido sus doctorados tanto en la
UNAM como en el extranjero. También todos son actualmente investigadores del Instituto Nacional de
Investigaciones Nucleares y Pedro Bosch es además profesor de tiempo completo en la UAMI. Se dedican a
diversas especialidades que van desde la química de los lantánidos y actínidos hasta el intercambio isotópico en los
sólidos, la metrología de las radiaciones ionizantes, la retención de materiales radiactivos en aluminosilicatos o la
detección del radón, relacionada con la sismología, la vulcanología y los daños a la salud, Portada: Eppem, mural
en el edificio del reactor, ININ.